碳纳米晶体管性能跟硅越来越接近 不久后有望打败硅

研究人员寻求通过在纳米管和晶体管栅极之间，使用更薄的绝缘体来更好地控制碳纳米晶体管。

 

在近日的IEEE Electron Devices Meeting (IEDM)会议上，碳纳米管期间的最新研究成果揭晓。台湾半导体制造公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company，TSMC）、加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）和斯坦福大学（Stanford University）的工程师解释了一种新的制造工艺，这种工艺可以更好地控制碳纳米管晶体管。这种控制对于确保在逻辑电路中起开关作用的晶体管在需要时完全关闭至关重要。最近，人们对碳纳米管晶体管的兴趣有所增加，因为它们有望比硅晶体管更进一步缩小尺寸，并且提供了一种比硅更容易制造电路堆叠层的方法。

研究小组发明了一种制造更好栅介质的方法。这是栅极和晶体管沟道区域之间的绝缘层。在工作中，栅极上的电压在沟道区域形成电场，切断电流。然而，随着几十年来硅晶体管的规模不断缩小，由二氧化硅制成的绝缘层不得不越来越薄，以便用更少的电压控制电流，从而降低能耗。最终，绝缘层是如此之薄，以至于电荷实际上可以穿过它，泄漏电流并浪费能量。

十多年前，硅半导体工业通过改用一种新的介电材料二氧化铪来解决这个问题。与先前使用的二氧化硅相比，这种材料具有高介电常数（high-k），这意味着相对较厚的high-k介电层在电学上相当于更薄的氧化硅层。

碳纳米管晶体管也使用HfO2栅极电介质。而碳纳米管的问题在于，它们不允许在控制缩小的器件所需的薄层中形成电介质。

沉积高介电常数（high-k）的方法称为原子层沉积。顾名思义，它一次只构建一个原子层。然而，它需要一个起点。在硅中，这是在表面自然形成的原子薄层氧化物。

碳纳米管并没有为沉积的开始提供这样的立足点。它们不会自然形成氧化层二氧化碳和一氧化碳 -- 毕竟是气体。而纳米管中的任何缺陷都会导致所需的“悬空键”，从而限制其传导电流的能力。

Images: Greg Pitner/TSMCUntil now, growing a thin layer of the high-k dielectric hafnium dioxide atop a carbon nanotube was impossible. Researchers are Stanford and TSMC solved the problem by adding an intermediate-k dielectric between them.

“形成high-k电介质一直是一个大问题，”主持这项工作的TSMC首席科学家、斯坦福大学教授H.-S. Philip Wong说。你必须“基本上，把更厚的氧化物倾倒在纳米管上”，而不是你想要的缩小晶体管。为了弄清这个问题的原因，Wong建议，想象一下，门电压的作用就像用脚踩在花园的水管上，试图阻止水流通过。如果在你的脚和水管之间放一堆类似于厚厚的氧化铁门的枕头，那就会变得更难。

台积电（TSMC）的Matthias Passlack和加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Andrew Kummel提出了一种解决方案，将HfO2的原子层沉积与一种新的沉积介电常数中间材料氧化铝的方法结合起来。Al2O3是使用UCSD发明的一种称为纳米雾的工艺来沉积的。就像水蒸气凝结成雾一样，Al2O3凝结成团簇覆盖在纳米管表面。氢氟酸的原子层沉积可以开始使用这种界面电介质作为立足点。

这两种电介质的综合电气特性使研究小组得以在直径仅为15纳米的栅极下方建造一个栅极电介质厚度小于4纳米的装置。所得到的器件具有与硅CMOS器件相似的通断电流比特性，仿真结果表明，具有更薄栅介质的更小器件也可以工作。

但在碳纳米管器件能够与硅晶体管相匹配之前，还有很多工作要做。其中几个问题已单独解决，但尚未合并到单个设备中。例如，Wong的设备中的单个纳米管限制了晶体管可以驱动的电流。Wong说，让多个相同的纳米管完美排列是一个挑战。北京大学Lian-Mao Peng实验室的研究人员最近成功地将每微米250个碳纳米管排成一行，这意味着很快就会有一个解决方案。

另一个问题是该设备的金属电极和碳纳米管之间的电阻，特别是当这些触点被缩小到接近当今先进硅芯片的尺寸时。

最后，需要掺杂碳纳米管以增加栅极两侧的载流子数量。这种掺杂是在硅中通过用其他元素取代晶格中的一些原子来实现的。这在碳纳米管中不起作用，因为它会破坏结构的电子能力。相反，碳纳米管晶体管使用的是所谓的静电掺杂。在这里，故意操纵电介质层的组成，以便将电子提供给纳米管或将其引出。

Wong说：“我们非常兴奋，因为我们正在一个接一个地击落所有这些碎片。下一步是把所有这些结合起来……如果我们能把所有这些结合起来，我们就能打败硅。”

 

责任编辑：xj

原文标题：碳纳米晶体管体积更小 性能跟硅越来越接近

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