Транзисторы на углеродных нанотрубках

Первый полевой транзистор на УНТ был изготовлен в 1998 году, и с тех пор технология их производства постоянно улучшается. Как утверждают исследователи, полупроводниковые УНТ перспективны в качестве замены кремнию, поскольку они намного тоньше и обладают более высокой подвижностью носителей заряда, что позволяет реализовать более высокие скорости срабатывания транзистора.

На рис. 3.10 изображена структура полевых транзисторов на УНТ. Полупроводниковая УНТ размещена в зазоре между металлическими электродами истока и стока, образуя после отжига надежные электрические контакты с ними. В первой конструкции (слева) электрод затвора формируется из металла после нанесения на УНТ тонкого слоя диэлектрика. Во второй конструкции (справа) электрод затвора формируют из поликристаллического кремния в «карманах» пластины из монокристаллического кремния. Вариантом первой конструкции является замена металлического электрода затвора нанотрубкой с металлической проводимостью, ортогональной к полупроводниковой УНТ. С использованием такого затвора уже в 2008 году удалось построить транзистор с рекордно малой длиной канала (9 нм).

Рис. 3.10.Структура полевых транзисторов на УНТ: слева – с металлическим затвором;

справа – с затвором из поликристаллического кремния

Энергетические диаграммы транзистора на УНТ при разных напряжениях U_З на затворе показаны на рис. 3.11. Аббревиатура HOMO означает полностью заполненная π-электронами молекулярная орбиталь, LUMO – ближайшая свободная (не заполненная π-электронами) молекулярная орбиталь. Слева показана зонная диаграмма в закрытом состоянии транзистора, когда через него течет наименьший ток. Это имеет место при таком напряжении на затворе (U_З = U_ЗАКР), при котором уровень Ферми металлического электрода истока размещен на уровне середины запрещенной зоны полупроводниковой УНТ. При указанном напряжении электрический заряд через УНТ могут переносить лишь редкие электроны, которые благодаря хаотическому тепловому движению приобретают энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер ΔЕ/2 и перейти из металла на LUMO. Поскольку при комнатной температуре таких электронов очень мало, то и электрический ток через транзистор очень мал.

Рис. 3.11. Энергетическая диаграмма полевого транзистора на УНТ при разном напряжении U_З между затвором и истоком

Если на затвор подать более низкое напряжение (U_З = U_ЗАКР – ΔЕ/2), то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ поднимаются на величину ΔЕ/2, и уровень Ферми металлических электродов сравняется с верхним краем HOMO, как это показано на рис. 3.11 в центре. Электроны с HOMO под действием приложенного электрического поля между истоком и стоком получают возможность свободно переходить в электрод истока, оставляя в заполненной HOMO свободные места – дырки. Эти дырки под действием того же электрического поля движутся в направлении к стоку. Когда они достигают контакта со стоком, на их место переходят электроны из металла. Такой открытый транзистор хорошо проводит электрический ток, имеющий дырочный характер, а нанотрубка становится каналом проводимости р-типа.

Если на затвор подать более высокое напряжение (U_З = U_ЗАКР + ΔЕ/2), то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ опускаются на величину ΔЕ/2, и уровень Ферми металлических электродов сравняется с нижним краем LUMO, как это показано на рис. 3.11 справа. Электроны из электрода стока могут свободно переходить на LUMO, двигаться по ней вдоль УНТ к истоку и там свободно переходить в электрод истока. При этом транзистор тоже открыт, электрический ток имеет электронный характер, а нанотрубка становится каналом проводимости n-типа.

Типичный пример вольтамперных характеристик (ВАХ) полевых транзисторов на основе УНТ показан на рис. 3.12. Слева показано семейство ВАХ при различном отрицательном напряжении U_З между затвором и истоком. По оси абсцисс отложено напряжение между истоком и стоком, по оси ординат – электрический ток через транзистор (ток стока). Справа показана передаточная характеристика – зависимость электрического тока через транзистор от напряжения на затворе при фиксированном напряжении между истоком и стоком (U = 0,6 В). Видно, что ток через транзистор в закрытом состоянии (U_ЗАКР ≈ 0,3 В) меньше 10 пА, а в открытом состоянии (U_ОТКР ≈ – 1,2 В) возрастает практически на 5 порядков. Наибольшая крутизна наблюдается при напряжении на затворе в диапазоне от – 0,3 до + 0,1 В. Здесь ток возрастает на порядок при снижении U_З примерно на 100 мВ.

Рис. 3.12. ВАХ полевых транзистора на УНТ: U – напряжение между стоком и истоком;

U_З – напряжение между затвором и истоком; I – ток стока.

Более высокой крутизны можно добиться, используя диэлектрик между затвором и УНТ с высоким значением диэлектрической проницаемости. Например, в транзисторах с УНТ диаметром менее 1 нм (от диаметра зависит ширина запрещенной зоны УНТ) и диэлектриком из оксида гафния HfO₂ удалось получить более высокую крутизну передаточной характеристики, соответствующую возрастанию тока стока на порядок при снижении U_З на 60 мВ.

Принципиально иную конструкцию имеют Y-образные трубчатые транзисторы на УНТ (рис. 3.13), которые впервые удалось создать специалистам из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Университета Клемсона (США). Проведенные ими исследования показали, что организованные специальным образом углеродные нанотрубки имеютэлектронные характеристики, сходные с характеристиками традиционных МОП-транзисторов и, таким образом, могут с успехом заменить их в электронных устройствах.

а) б)

Рис. 3.13. Y-образный транзистор на УНТ: а) увеличенное изображение; б) эквивалентная схема

Новый транзистор выращивается вначале как обычная прямая нанотрубка. Затем к синтезирующей смеси добавлялись легированные титаном железные каталитические частицы, которые прикреплялись к нанотрубке, зарождая придаточный рост, который продолжался подобно ветвям, растущим из ствола дерева. В результате, образующаяся нанотрубка принимала Y-образную форму с каталитической частицей, расположенной в месте соединения ствола и ветвей.

Если на концах такой структуры сформировать электроды и подключить их к источнику тока, то она работает как полевой транзистор, эквивалентная схема которого показана на рис. 3.13б. Наночастица железа, оставшаяся в месте стыка «стебля» нанотрубки с ее «ветвями», пропускает электрический ток из одной ветви в другую лишь тогда, когда на «стебель», играющий здесь роль затвора, подается положительный потенциал. Когда же на «стебель» подается отрицательный потенциал, электрический ток в другую ветвь не проходит. Промежуточных значений тока исследователям зафиксировать не удалось, поскольку ток включался и выключался скачком. Таким образом, Y-образный УНТ транзистор представляет собой вентиль электрического тока, максимально приспособленный для его дальнейшего использования в электронных схемах.

Ученым и ранее удавалось создавать логические элементы электронных схем с использованием нанотрубок, однако в них в качестве затворов использовались металлические проводники. Новый транзистор целиком состоит только из нанотрубок, что значительно упрощает и производство нанотрубочных транзисторов, и создание на их основе сложных электронных устройств. Более того, управляя каталитическим процессом, можно создавать транзисторы из нанотрубок с заранее заданными свойствами, например, напряжением переключения. Интерес представляет расширение возможных форм нанотранзисторов на УНТ, в частности, получение Т- и Х-образных нанотрубочных транзисторов, которые смогут решать различные задачи в наноэлектронных устройствах будущего.

КМОП-структуры на УНТ

КМОП-структура (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) представляет собой пару полевых транзисторов с изолированным затвором и каналами разной проводимости. Отличительной особенностью электронных устройств на КМОП является очень малое энергопотребление в статическом режиме. В большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения из одного состояния в другое. Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе процессоров, имеет в своем составе инверторы на основе КМОП-структуры.

Известно, что ширина запрещенной зоны большинства УНТ не превышает 1 эВ. Это обстоятельство позволяет создавать инверторы на комплементарных парах транзисторов, используя в них для изготовления затворов металлы с различной работой выхода, например, палладий и алюминий. Структура такого инвертора показана на рис. 3.14а. На подложке из кремния 1, покрытого слоем окисла 2, сформированы металлические электроды 3, 4 и 5, на которые сверху помещена полупроводниковая УНТ 6. После нанесения тонкого слоя подзатворного диэлектрика 7 формируют затворы из палладия Pd и из алюминия Al. Потенциалы закрывания U_ЗАКР полевых транзисторов с такими затворами отличаются больше, чем на половину ширины запрещенной зоны нанотрубки.

а) б) в)

Рис. 3.14. Инвертор на комплементарных УНТ транзисторах: а) структура инвертора;

б) эквивалентная электрическая схема; в) передаточная характеристика

Инвертор работает следующим образом. Когда на вход инвертора подается отрицательное напряжение U_ВХ,0 ≈ – 1 В, оно оказывается существенно ниже потенциала закрывания U_ЗАКР,1 транзистора с затворным электродом из палладия, поэтому часть УНТ под этим электродом становится проводящей с проводимостью р-типа. В то же время входное напряжение U_ВХ,0 ≈– 1 В приблизительно равно потенциалу закрывания U_ЗАКР,2 транзистора, затворный электрод которого изготовлен из алюминия, поэтому часть УНТ под этим электродом становится не проводящей, т. е. транзистор закрывается. В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания + U.

Когда на вход инвертора подано положительное напряжение U_ВХ,1 ≈ + 1 В, оно оказывается близким к потенциалу закрывания U_ЗАКР,1 транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом закрывается. В то же время входное напряжение U_ВХ,1 ≈ 1 В существенно выше потенциала закрывания U_ЗАКР,2 транзистора с затворным электродом из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится электропроводящей с проводимостью n-типа. В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания – U. Зависимость выходного напряжения инвертора от напряжения на входе показана на рис. 3.14в.