硅的繼任者：碳納米管有了新進展

得益于研究人員的持續(xù)推進，碳納米管器件現在正在越來越接近硅的能力，最新的進展也在最近舉辦的IEEE電子器件會議IEDM上揭曉。會上，來自臺積電，加州大學圣地亞哥分校和斯坦福大學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。這種控制對于確保在邏輯電路中晶體管完全關閉至關重要。

近年來，人們對碳納米管晶體管的興趣有所增加，因為它們有可能比硅晶體管更進一步縮小尺寸，并提供一種生產電路堆疊層的方法比在硅中做起來容易得多。

該團隊發(fā)明了一種生產更好的柵極電介質（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，柵極處的電壓會在溝道區(qū)中建立電場，從而切斷電流。

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

大約十多年前，硅半導體工業(yè)通過切換到新的介電材料二氧化鉿（hafnium dioxide）解決了這個問題。與先前使用的二氧化硅相比，該材料具有較高的介電常數（high-k），這意味著相對較厚的高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。碳納米管的問題在于，它們不允許在控制按比例縮小的設備所需的薄層中形成電介質。

沉積high-k電介質的方法稱為原子層沉積。顧名思義，它一次可建造一個原子層的材料。但是，它需要一個開始的地方。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來開始沉積。它們不會自然形成氧化物層，畢竟二氧化碳和一氧化碳都是氣體。納米管中任何會導致所需“懸掛鍵”（dangling bonds）的缺陷都會限制其傳導電流的能力。

到目前為止，在碳納米管上生長一層薄薄的high-k電介質二氧化鉿是不可能的。斯坦福大學和臺積電的研究人員通過在它們之間添加中間k介電層解決了這一問題。

“形成high-k電介質一直是一個大問題。” 領導這項工作的臺積電（TSMC）首席科學家，斯坦福大學教授Philip Wong（黃漢森）說?！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。“要了解為什么這是一個問題，可以想象一下柵極電壓的作用，就是試圖用腳踩踏來阻止水流過花園軟管。如果在腳和軟管之間放一堆枕頭（類似于厚的門氧化物），則枕頭會變得更難”，黃漢森進一步指出。

臺積電的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材料氧化鋁的新方法結合在一起。Al2O3是使用UCSD發(fā)明的納米霧工藝沉積的。像水蒸氣凝結形成霧一樣，Al2O3凝結成簇，覆蓋納米管表面。然后可以使用該界面電介質作為立足點開始HfO2的原子層沉積。

這兩種電介質的綜合電學特性使該團隊能夠構建一種器件，該器件的柵極電介質在寬度僅為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/關電流比特性，并且仿真表明，即使具有較小柵極電介質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。其中一些問題已單獨解決，但尚未合并到單個設備中。例如，黃漢森團隊設備中的單個納米管限制了晶體管可以驅動的電流量。他表示，要使多個相同的納米管完美對齊一直是一個挑戰(zhàn)。北京大學彭練矛實驗室的研究人員最近成功地使每微米排列250個碳納米管，這表明解決方案可能很快就會出現。

另一個問題是設備的金屬電極和碳納米管之間的電阻，特別是當這些觸點的尺寸縮小到接近當今先進硅芯片所使用的尺寸時。去年，黃漢森的一名學生Greg Pitner（現為臺積電研究人員和IEDM研究的主要作者）報告了一種方法，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柵極兩側的載流子數量。通過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，因為它將破壞結構的電子能力。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給納米管或將其抽出。黃漢森表示，他的學生Rebecca Park在該層中使用氧化鉬取得了良好的效果。

他說：“我們感到非常興奮，因為我們正在一步一步地將所有這些難題都擊倒?！?“下一步就是將它們放在一起……如果我們可以將所有這些結合起來，我們將擊敗硅?！?br />
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