Os nanotubos de carbono, grandes moléculas cilíndricas compostas por átomos de carbono hibridizados dispostos em uma estrutura hexagonal, atraíram recentemente uma atenção significativa entre os engenheiros eletrônicos. Devido à sua configuração geométrica e propriedades eletrônicas vantajosas, essas moléculas únicas poderiam ser usadas para criar transistores de efeito de campo (FETs) menores que exibem alta eficiência energética.



Os FETs baseados em nanotubos de carbono têm o potencial de superar os transistores menores baseados em silício, mas sua vantagem em implementações no mundo real ainda não foi demonstrada de forma conclusiva. Um artigo recente de pesquisadores da Universidade de Pequim e de outros institutos na China, publicado na Nature Electronics , descreve a realização de FETs baseados em nanotubos de carbono que podem ser dimensionados para o mesmo tamanho de um nó de tecnologia de silício de 10 nm.

"O progresso recente na obtenção de matrizes de nanotubos de carbono semicondutores de alta densidade em escala de wafer nos trouxe um passo mais perto do uso prático de nanotubos de carbono em circuitos CMOS", disse Zhiyong Zhang, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. "No entanto, os esforços de pesquisa anteriores concentraram-se principalmente no dimensionamento do comprimento do canal ou da porta dos transistores de nanotubos de carbono, mantendo grandes dimensões de contato, o que não pode ser aceito para circuitos CMOS de alta densidade em aplicações práticas.

"Nosso objetivo principal deste trabalho é explorar a verdadeira capacidade de escalonamento de matrizes de nanotubos de carbono usando duas figuras de mérito na indústria de silício, ou seja, passo da porta contatada e área da célula SRAM 6T, mantendo as vantagens de desempenho."

Zhang e seus colegas se propuseram essencialmente a demonstrar o valor prático dos transistores de nanotubos de carbono, mostrando que eles podem superar os FETs convencionais baseados em silício com um passo de porta comparável e uma área de célula SRAM de 6T. Para conseguir isso, eles primeiro fabricaram FETs baseados em arranjos de nanotubos de carbono com um passo de porta contatada de 175 nm. Este passo da porta foi realizado escalonando o comprimento da porta e o comprimento do contato para 85 nm e 80 nm, respectivamente.

"Notavelmente, os transistores exibiram uma impressionante corrente de 2,24 mA/μm e uma transcondutância de pico de 1,64 mS/μm, superando o desempenho eletrônico dos transistores de nó de silício de 45 nm", disse Zhang. "Além disso, a célula SRAM 6T consistia nesses transistores de nanotubos ultraescalados e foi fabricada dentro de 1 μm ² e funciona corretamente. Em seguida, investigamos o principal obstáculo, ou seja, a resistência de contato dos transistores de nanotubos de carbono para maior escala."

Estudos anteriores mostraram que, ao seguir um esquema de contato generalizado conhecido como “contato lateral”, os portadores de carga só podem ser injetados a partir da superfície dos nanotubos de carbono. Isso torna dependente a resistência do comprimento dos nanotubos, restringindo a extensão em que eles podem ser miniaturizados.

Para superar esse problema, Zhang e seus colegas introduziram um novo esquema que chamam de “contato total”. Este esquema envolve o corte de ambas as extremidades dos nanotubos de carbono antes de formar o contato, o que por sua vez permite que parte dos transportadores seja injetada a partir dessas extremidades.

"Este novo esquema de contato permite que os transistores de nanotubos de carbono sejam ainda mais reduzidos para o passo da porta contatada abaixo de 55 nm, que corresponde ao nó de tecnologia de silício de 10 nm, enquanto supera os transistores de silício de nó de 10 nm devido à alta mobilidade da portadora e à velocidade de Fermi", disse Zhang. "Nosso trabalho demonstrou experimentalmente uma verdadeira tecnologia de nó de 90 nm usando nanotubos de carbono, que poderia ser feita geometricamente menor e oferecer desempenho eletrônico superando os transistores de nó de silício de 90 nm."

Este artigo recente apresenta uma abordagem confiável para transistores de nanotubos de carbono em escala reduzida, sem comprometer seu desempenho. Até agora, a equipe usou sua estratégia para criar um transistor de nó de 90 nm, mas ao redesenhar a estrutura dos contatos eles sentem que esses transistores poderiam ser encolhidos abaixo de um nó abaixo de 10 nm.

No futuro, o trabalho de Zhang e seus colegas poderá contribuir para a criação de transistores baseados em nanotubos de carbono cada vez menores e mais eficientes. Isso poderia ter implicações valiosas para o desenvolvimento da eletrônica.

"O próximo desafio que estamos enfrentando agora é reduzir a geometria de contato dos transistores tipo n de nanotubos de carbono para construir a tecnologia CMOS completa, que é os blocos de construção necessários para os CIs digitais modernos", acrescentou Zhang.

"Atualmente, usamos escândio para o contato de transistores de nanotubos de carbono tipo n. No entanto, estamos enfrentando grandes dificuldades à medida que reduzimos o comprimento do contato devido à oxidação desse metal com função de baixo trabalho. Além disso, estamos trabalhando para caracterizar com precisão a qualidade da interface entre matrizes de nanotubos de carbono e dielétrico de alto κ, melhorando-a ao nível dos transistores CMOS de silício para melhorar a controlabilidade e a confiabilidade da porta."

Mais informações: Yanxia Lin et al, Escalando transistores de nanotubos de carbono alinhados para um nó sub-10 nm, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00983-3
Informações do diário: Eletrônica da Natureza

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