碳納米管晶體管有望取代硅走入現(xiàn)實(shí)

得益于研究人員的持續(xù)推進(jìn)，碳納米管器件現(xiàn)在正在越來(lái)越接近硅的能力，最新的進(jìn)展也在最近舉辦的IEEE電子器件會(huì)議IEDM上揭曉。會(huì)上，來(lái)自臺(tái)積電，加州大學(xué)圣地亞哥分校和斯坦福大學(xué)的工程師介紹了一種新的制造工藝，該工藝可以更好地控制碳納米管晶體管。這種控制對(duì)于確保在邏輯電路中充當(dāng)晶體管的晶體管完全關(guān)閉時(shí)至關(guān)重要。

近年來(lái)，人們對(duì)碳納米管晶體管的興趣有所增加，因?yàn)樗鼈冇锌赡鼙裙杈w管更進(jìn)一步縮小尺寸，并提供一種生產(chǎn)電路堆疊層的方法比在硅中做起來(lái)容易得多。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種生產(chǎn)更好的柵極電介質(zhì)（gate dielectric）的工藝。那是柵電極和晶體管溝道區(qū)之間的絕緣層。在操作中，柵極處的電壓會(huì)在溝道區(qū)中建立電場(chǎng)，從而切斷電流。

然而，隨著幾十年來(lái)硅晶體管的規(guī)?？s小，由二氧化硅制成的絕緣層必須越來(lái)越薄，以便使用較少的電壓來(lái)控制電流，從而降低了能耗。最終，絕緣屏障非常薄，以至于電荷實(shí)際上可以通過(guò)它隧穿，從而帶來(lái)電流泄漏并浪費(fèi)能量。

大約十多年前，硅半導(dǎo)體工業(yè)通過(guò)切換到新的介電材料二氧化鉿（hafnium dioxide）解決了這個(gè)問(wèn)題。與先前使用的二氧化硅相比，該材料具有較高的介電常數(shù)（high-k），這意味著相對(duì)較厚的高k介電層在電氣上等效于非常薄的氧化硅層。

碳納米管晶體管還使用HfO 2柵極電介質(zhì)。碳納米管的問(wèn)題在于，它們不允許在控制按比例縮小的設(shè)備所需的薄層中形成電介質(zhì)。

沉積high-k電介質(zhì)的方法稱為原子層沉積。顧名思義，它一次可建造一個(gè)原子層的材料。但是，它需要一個(gè)開(kāi)始的地方。在硅中，這是在表面自然形成的原子的原子薄層。

碳納米管不提供這種立足點(diǎn)來(lái)開(kāi)始沉積。它們不會(huì)自然形成氧化物層，畢竟二氧化碳和一氧化碳都是氣體。納米管中任何會(huì)導(dǎo)致所需“懸掛鍵”（dangling bonds）的缺陷都會(huì)限制其傳導(dǎo)電流的能力。

到目前為止，在碳納米管上生長(zhǎng)一層薄薄的high-k電介質(zhì)二氧化鉿是不可能的。斯坦福大學(xué)和臺(tái)積電的研究人員通過(guò)在它們之間添加中間k介電層解決了這一問(wèn)題。

“形成high-k電介質(zhì)一直是一個(gè)大問(wèn)題。” 領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的臺(tái)積電（TSMC）首席科學(xué)家，斯坦福大學(xué)教授Philip Wong（黃漢森）說(shuō)?！耙虼四仨殞⒈燃{米管更厚的氧化物傾倒在納米管的頂部，而不是在縮小的晶體管中”，黃漢森建議?！耙私鉃槭裁催@是一個(gè)問(wèn)題，可以想象一下柵極電壓的作用，就是試圖用腳踩踏來(lái)阻止水流過(guò)花園軟管。如果在腳和軟管之間放一堆枕頭（類似于厚的門(mén)氧化物），則枕頭會(huì)變得更難”，黃漢森進(jìn)一步指出。

臺(tái)積電的Matthias Passlack和UCSD的Andrew Kummel教授提出了一種解決方案，將HfO2的原子層沉積與沉積中間介電常數(shù)材料氧化鋁的新方法結(jié)合在一起。Al2O3是使用UCSD發(fā)明的納米霧工藝沉積的。像水蒸氣凝結(jié)形成霧一樣，Al2O3凝結(jié)成簇，覆蓋納米管表面。然后可以使用該界面電介質(zhì)作為立足點(diǎn)開(kāi)始HfO2的原子層沉積。

這兩種電介質(zhì)的綜合電學(xué)特性使該團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建一種器件，該器件的柵極電介質(zhì)在寬度僅為15納米的柵極下的厚度小于4納米。最終的器件具有與硅CMOS器件相似的開(kāi)/關(guān)電流比特性，并且仿真表明，即使具有較小柵極電介質(zhì)的較小器件也能正常工作。

但是，在碳納米管器件能夠匹配硅晶體管之前，還有很多工作要做。其中一些問(wèn)題已單獨(dú)解決，但尚未合并到單個(gè)設(shè)備中。例如，黃漢森團(tuán)隊(duì)設(shè)備中的單個(gè)納米管限制了晶體管可以驅(qū)動(dòng)的電流量。他表示，要使多個(gè)相同的納米管完美對(duì)齊一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。北京大學(xué)彭練矛實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近成功地使每微米排列250個(gè)碳納米管，這表明解決方案可能很快就會(huì)出現(xiàn)。

另一個(gè)問(wèn)題是設(shè)備的金屬電極和碳納米管之間的電阻，特別是當(dāng)這些觸點(diǎn)的尺寸縮小到接近當(dāng)今先進(jìn)硅芯片所使用的尺寸時(shí)。去年，黃漢森的一名學(xué)生Greg Pitner（現(xiàn)為臺(tái)積電研究人員和IEDM研究的主要作者）報(bào)告了一種方法，可以將一種接觸類型（p型）的電阻提高到兩倍以下接觸的理論極限僅為10納米。但是，與碳納米管的n型接觸尚未達(dá)到相似的性能水平，而CMOS邏輯則需要兩種類型。

最后，需要摻雜碳納米管以增加?xùn)艠O兩側(cè)的載流子數(shù)量。通過(guò)用其他元素替換晶格中的一些原子，可以在硅中完成這種摻雜。這在碳納米管中是行不通的，因?yàn)樗鼘⑵茐慕Y(jié)構(gòu)的電子能力。相反，碳納米管晶體管使用的是靜電摻雜。在此，有意操縱介電層的成分以將電子捐贈(zèng)給納米管或?qū)⑵涑槌觥｜S漢森表示，他的學(xué)生Rebecca Park在該層中使用氧化鉬取得了良好的效果。

他說(shuō)：“我們感到非常興奮，因?yàn)槲覀冋谝徊揭徊降貙⑺羞@些難題都擊倒?！?“下一步就是將它們放在一起……如果我們可以將所有這些結(jié)合起來(lái)，我們將擊敗硅?！?br /> 責(zé)編AJX