Transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono - Carbon nanotube field-effect transistor

Un transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET) es un transistor de efecto de campo que utiliza un solo nanotubo de carbono o una matriz de nanotubos de carbono como material del canal en lugar de silicio a granel en la estructura MOSFET tradicional . Demostrado por primera vez en 1998, desde entonces se han producido importantes avances en los CNTFET.

Introducción y Antecedentes

Un diagrama que muestra que un nanotubo de carbono es esencialmente grafeno enrollado

Según la ley de Moore , las dimensiones de los dispositivos individuales en un circuito integrado se han reducido en un factor de aproximadamente dos cada dos años. Esta reducción de dispositivos ha sido la fuerza impulsora de los avances tecnológicos desde finales del siglo XX. Sin embargo, como se señala en la edición de ITRS 2009, una mayor reducción se ha enfrentado a serios límites relacionados con la tecnología de fabricación y el rendimiento del dispositivo a medida que la dimensión crítica se redujo a un rango inferior a 22 nm. Los límites implican la tunelización de electrones a través de canales cortos y películas aislantes delgadas, las corrientes de fuga asociadas, la disipación de potencia pasiva, los efectos de canal corto y las variaciones en la estructura del dispositivo y el dopaje. Estos límites pueden superarse hasta cierto punto y facilitar una mayor reducción de las dimensiones del dispositivo modificando el material del canal en la estructura tradicional del MOSFET a granel con un solo nanotubo de carbono o una matriz de nanotubos de carbono.

Estructura electrónica de nanotubos de carbono.

Estructura atómica del grafeno con un vector de traducción T y un vector quiral Ĉ _h de un CNT

Relaciones de dispersión de energía unidimensionales para (a) (n, m) = (5,5) tubo metálico, (b) (n, m) = (10,0) tubo semiconductor.

En una primera aproximación, las propiedades eléctricas excepcionales de los nanotubos de carbono pueden considerarse heredadas de la estructura electrónica única del grafeno, siempre que se considere que el nanotubo de carbono es grafeno enrollado a lo largo de uno de sus vectores de celosía de Bravais Ĉ _h para formar un cilindro hueco. . En esta construcción, se imponen condiciones de contorno periódicas sobre Ĉ _h para producir una red de átomos de carbono unidos sin problemas en la superficie del cilindro.

Por lo tanto, la circunferencia de dicho nanotubo de carbono se puede expresar en términos de su vector de acumulación: roll _h = nâ ₁ + mâ ₂ que conecta dos sitios cristalográficamente equivalentes de la hoja de grafeno bidimensional. Aquí y son números enteros y â ₁ y â ₂ son vectores de celosía primitivos de la celosía hexagonal . Por lo tanto, la estructura de cualquier nanotubo de carbono se puede describir mediante un índice con un par de números enteros que definen su vector acumulativo. En términos de números enteros , el diámetro de los nanotubos y el ángulo quiral vienen dados por :; y, donde es la distancia de enlace C — C. ${\ Displaystyle n}$ ${\ Displaystyle m}$ ${\ Displaystyle (n, m)}$ ${\ Displaystyle (n, m)}$ ${\ Displaystyle d_ {t}}$ ${\ Displaystyle \ theta}$ ${\ Displaystyle d_ {t} = ({\ sqrt {3}} \, d_ {0} / \ pi) {\ sqrt {m ^ {2} + mn + n ^ {2}}}}$ ${\ Displaystyle \ theta = \ tan ^ {- 1} [{\ sqrt {3}} \, n / (2m + n)]}$ ${\ Displaystyle d_ {0}}$

Las diferencias en el ángulo quiral y el diámetro provocan las diferencias en las propiedades de los distintos nanotubos de carbono. Por ejemplo, se puede demostrar que un nanotubo de carbono es metálico cuando , es un semiconductor de banda prohibida pequeña cuando y , y es un semiconductor de banda prohibida moderada cuando , donde es un número entero. ${\ Displaystyle (n, m)}$ ${\ Displaystyle n = m}$ ${\ Displaystyle nm = 3i}$ ${\ Displaystyle i \ neq 0}$ ${\ Displaystyle nm \ neq 3i}$ ${\ Displaystyle i}$

Estos resultados pueden estar motivados al señalar que las condiciones de contorno periódicas para los nanotubos de carbono 1D permiten que solo existan unos pocos vectores de onda alrededor de sus circunferencias. Se podría esperar que la conducción metálica ocurriera cuando uno de estos vectores de onda pasa a través del punto K de la zona de Brillouin hexagonal 2D del grafeno , donde las bandas de valencia y conducción están degeneradas.

Este análisis, sin embargo, ignora los efectos de curvatura causados por enrollar la hoja de grafeno que convierte todos los nanotubos en semiconductores de banda ancha pequeña, con la excepción de los tubos de sillón ( ) que siguen siendo metálicos. Aunque los huecos de banda de los nanotubos de carbono con y son relativamente pequeños, algunos pueden superar fácilmente la temperatura ambiente, si el diámetro del nanotubo es de aproximadamente un nanómetro. ${\ Displaystyle nm = 3i}$ ${\ Displaystyle n = m}$ ${\ Displaystyle nm = 3i}$ ${\ Displaystyle i \ neq 0}$

Los espacios de banda de los nanotubos de carbono semiconductores dependen predominantemente de sus diámetros. De hecho, de acuerdo con una descripción de unión estrecha de una sola partícula de la estructura electrónica de estos nanotubos, ¿ dónde está el elemento de matriz de salto vecino más cercano? Que este resultado es una excelente aproximación, siempre que sea mucho menor que uno, ha sido verificado tanto por los primeros principios de electrones como por los cálculos funcionales de densidad local y por experimentos. ${\ Displaystyle E_ {g}}$ ${\ Displaystyle nm \ neq 3i}$ ${\ Displaystyle E_ {g} = 2 | V_ {0} | (d_ {0} / d_ {t}),}$ ${\ Displaystyle V_ {0}}$ ${\ Displaystyle (d_ {0} / d_ {t})}$

Los diagramas de dispersión de los espacios de banda de los nanotubos de carbono con diámetros de hasta tres nanómetros calculados utilizando un modelo de unión de valencia estrecha que incluye efectos de curvatura aparecieron temprano en la investigación de nanotubos de carbono y se reimprimieron en una revisión.

Motivaciones para aplicaciones de transistores

La banda prohibida de un nanotubo de carbono se ve directamente afectada por su ángulo y diámetro quiral. Si esas propiedades pueden controlarse, los CNT serían un candidato prometedor para futuros dispositivos de transistores a nanoescala. Además, debido a la falta de límites en la estructura cilíndrica perfecta y hueca de los CNT, no hay dispersión de límites. Los CNT también son materiales cuasi-1D en los que solo se permiten la dispersión hacia adelante y la dispersión hacia atrás, y la dispersión elástica significa que los caminos libres en los nanotubos de carbono son largos, típicamente del orden de micrómetros. Como resultado, el transporte cuasi balístico se puede observar en nanotubos en longitudes relativamente largas y campos bajos. Debido al fuerte enlace covalente carbono-carbono en la configuración sp ² , los nanotubos de carbono son químicamente inertes y pueden transportar grandes corrientes eléctricas. En teoría, los nanotubos de carbono también pueden conducir el calor casi tan bien como el diamante o el zafiro, y debido a sus dimensiones miniaturizadas, el CNTFET debería cambiar de manera confiable usando mucha menos energía que un dispositivo basado en silicio.

Fabricación de dispositivos

Hay muchos tipos de dispositivos CNTFET; a continuación se incluye un resumen general de las geometrías más comunes.

CNTFET con puerta trasera

Vista superior

Vista lateral

Vista superior y lateral de un CNTFET con puerta trasera de silicio. El CNTFET consiste en nanotubos de carbono depositados sobre un sustrato de óxido de silicio previamente modelado con una fuente de cromo / oro y contactos de drenaje.

Las técnicas más tempranas para fabricar transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNT) involucraron el pre-patrón de tiras paralelas de metal a través de un sustrato de dióxido de silicio y luego depositar los CNT en la parte superior en un patrón aleatorio. Los CNT semiconductores que cayeron sobre dos tiras de metal cumplen con todos los requisitos necesarios para un transistor de efecto de campo rudimentario. Una tira de metal es el contacto de "fuente" mientras que la otra es el contacto de "drenaje". El sustrato de óxido de silicio se puede usar como óxido de puerta y agregar un contacto de metal en la parte posterior hace que el CNT semiconductor se pueda controlar.

Esta técnica adolecía de varios inconvenientes, que daban lugar a transistores no optimizados. El primero fue el contacto del metal, que en realidad tenía muy poco contacto con la CNT, ya que el nanotubo estaba encima de él y, por lo tanto, el área de contacto era muy pequeña. Además, debido a la naturaleza semiconductora del CNT, se forma una barrera de Schottky en la interfaz metal-semiconductor, lo que aumenta la resistencia de contacto. El segundo inconveniente se debió a la geometría del dispositivo de puerta trasera. Su grosor dificultaba el encendido y apagado de los dispositivos con voltajes bajos, y el proceso de fabricación provocó un contacto deficiente entre el dieléctrico de la puerta y el CNT.

CNTFET con puerta superior

El proceso para fabricar un CNTFET con puerta superior.

Finalmente, los investigadores migraron del enfoque de puerta trasera a un proceso de fabricación de puerta superior más avanzado. En el primer paso, los nanotubos de carbono de pared simple se depositan en solución sobre un sustrato de óxido de silicio. A continuación, los nanotubos individuales se localizan mediante un microscopio de fuerza atómica o un microscopio electrónico de barrido. Después de aislar un tubo individual, los contactos de fuente y drenaje se definen y modelan utilizando litografía por haz de electrones de alta resolución. Un paso de recocido a alta temperatura reduce la resistencia del contacto al mejorar la adhesión entre los contactos y CNT. Luego, se deposita un dieléctrico delgado de puerta superior sobre el nanotubo, ya sea por evaporación o por deposición de la capa atómica. Finalmente, el contacto superior de la puerta se deposita en el dieléctrico de la puerta, completando el proceso.

Las matrices de CNTFET con compuerta superior se pueden fabricar en la misma oblea, ya que los contactos de la compuerta están eléctricamente aislados entre sí, a diferencia del caso con compuerta trasera. Además, debido a la delgadez del dieléctrico de la puerta, se puede generar un campo eléctrico más grande con respecto al nanotubo utilizando un voltaje de puerta más bajo. Estas ventajas significan que los dispositivos de puerta superior generalmente se prefieren a los CNTFET de puerta trasera, a pesar de su proceso de fabricación más complejo.

CNTFET de puerta envolvente

CNT enfundado

Dispositivo CNT de puerta en todos los sentidos

Los CNTFET de puerta envolvente, también conocidos como CNTFET de puerta alrededor, se desarrollaron en 2008 y son una mejora adicional en la geometría del dispositivo de puerta superior. En este dispositivo, en lugar de bloquear solo la parte del CNT que está más cerca del contacto de la puerta de metal, se bloquea toda la circunferencia del nanotubo. Idealmente, esto debería mejorar el rendimiento eléctrico del CNTFET, reduciendo la corriente de fuga y mejorando la relación de encendido / apagado del dispositivo.

La fabricación del dispositivo comienza envolviendo primero los CNT en un dieléctrico de puerta y un contacto de puerta a través de la deposición de la capa atómica. Estos nanotubos envueltos luego se depositan en solución sobre un sustrato aislante, donde las envolturas se graban parcialmente, dejando al descubierto los extremos del nanotubo. Los contactos de la fuente, el drenaje y la compuerta se depositan en los extremos de CNT y la envoltura exterior metálica de la compuerta.

CNTFET suspendidos

Un dispositivo CNTFET suspendido.

Otra geometría del dispositivo CNTFET implica suspender el nanotubo sobre una zanja para reducir el contacto con el sustrato y el óxido de la puerta. Esta técnica tiene la ventaja de reducir la dispersión en la interfaz CNT-sustrato, lo que mejora el rendimiento del dispositivo. Hay muchos métodos que se utilizan para fabricar CNTFET suspendidos, que van desde hacerlos crecer sobre zanjas utilizando partículas de catalizador, transferirlas a un sustrato y luego grabar el dieléctrico debajo y transferir la impresión sobre un sustrato con zanjas.

El principal problema que sufren los CNTFET suspendidos es que tienen opciones de material muy limitadas para su uso como dieléctrico de compuerta (generalmente aire o vacío), y la aplicación de un sesgo de compuerta tiene el efecto de acercar el nanotubo a la compuerta, lo que coloca un límite superior sobre cuánto se puede bloquear el nanotubo. Esta técnica también solo funcionará para nanotubos más cortos, ya que los tubos más largos se doblarán en el medio y se inclinarán hacia la puerta, posiblemente tocando el contacto de metal y provocando un cortocircuito en el dispositivo. En general, los CNTFET suspendidos no son prácticos para aplicaciones comerciales, pero pueden ser útiles para estudiar las propiedades intrínsecas de los nanotubos limpios.

Consideraciones sobre el material CNTFET

Hay decisiones generales que uno debe tomar al considerar qué materiales usar al fabricar un CNTFET. Se prefieren los nanotubos de carbono de pared simple semiconductores a los tubos metálicos de pared simple y de paredes múltiples metálicas, ya que pueden desconectarse completamente, al menos para desviaciones de fuente / drenaje bajas. Se ha trabajado mucho para encontrar un material de contacto adecuado para los CNT semiconductores; el mejor material hasta la fecha es el paladio , porque su función de trabajo se asemeja mucho a la de los nanotubos y se adhiere bastante bien a los CNT.

Características I – V

Movilidad de efecto de campo de un dispositivo CNTFET con puerta trasera con diferentes longitudes de canal. El SiO ₂ se utiliza como dieléctrico de la puerta. Herramienta: 'CNT Mobility' en nanoHUB.org

En los contactos CNT-metal, las diferentes funciones de trabajo del metal y el CNT dan como resultado una barrera Schottky en la fuente y el drenaje, que están hechos de metales como plata , titanio , paladio y aluminio . A pesar de que, al igual que los diodos de barrera Schottky, las barreras habrían hecho que este FET transportara solo un tipo de portador, el transporte del portador a través de la interfaz metal-CNT está dominado por un túnel mecánico cuántico a través de la barrera Schottky. Los CNTFET se pueden adelgazar fácilmente mediante el campo de la puerta de modo que hacer un túnel a través de ellos resulte en una contribución de corriente sustancial. Los CNTFET son ambipolares; ya sea electrones o huecos, o tanto electrones como huecos pueden inyectarse simultáneamente. Esto hace que el grosor de la barrera de Schottky sea un factor crítico.

Los CNTFET conducen electrones cuando se aplica una polarización positiva a la puerta y los orificios cuando se aplica una polarización negativa, y la corriente de drenaje aumenta al aumentar la magnitud de un voltaje de puerta aplicado. Alrededor de V _g = V _ds / 2, la corriente obtiene el mínimo debido a la misma cantidad de contribuciones de electrones y huecos a la corriente.

Al igual que otros FET, la corriente de drenaje aumenta con una polarización de drenaje creciente, a menos que el voltaje de puerta aplicado esté por debajo del voltaje de umbral. Para los CNTFET planos con diferentes parámetros de diseño, el FET con una longitud de canal más corta produce una corriente de saturación más alta, y la corriente de drenaje de saturación también se vuelve más alta para el FET que consta de un diámetro más pequeño que mantiene la longitud constante. Para los CNTFET cilíndricos, está claro que se impulsa una corriente de drenaje más alta que la de los CNTFET planos, ya que un CNT está rodeado por una capa de óxido que finalmente está rodeada por un contacto metálico que sirve como terminal de puerta.

Derivación teórica de la corriente de drenaje

Estructura de un transistor CNT de puerta superior

Kazierski y sus colegas han realizado una investigación teórica sobre la corriente de drenaje del transistor CNT de puerta superior. Cuando se aplica un campo eléctrico a un transistor CNT, se induce una carga móvil en el tubo desde la fuente y el drenaje. Estas cargas provienen de la densidad de los estados de velocidad positivos llenados por la fuente N _S y la de los estados de velocidad negativos llenados por el drenaje N _D , y estas densidades están determinadas por las distribuciones de probabilidad de Fermi-Dirac .

{\ Displaystyle N_ {S} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {- \ infty} ^ {+ \ infty} D (E) f (E-U_ {SF}) \, dE}

{\ Displaystyle N_ {D} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {- \ infty} ^ {+ \ infty} D (E) f (E-U_ {DF}) \, dE}

y la densidad de electrones de equilibrio es

{\ Displaystyle N_ {0} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {- \ infty} ^ {+ \ infty} D (E) f (E-E_ {F}) \, dE}

.

donde la densidad de estados en el canal D (E), U _SF y U _DF se definen como

{\ Displaystyle D (E) = D_ {0} {\ frac {E} {\ sqrt {E ^ {2} - (E_ {g} / 2) ^ {2}}}} \ Theta (E-E_ { g} / 2)}

{\ Displaystyle U_ {SF} = E_ {F} -qV_ {SC}}

{\ Displaystyle U_ {DF} = E_ {F} -qV_ {SC} -qV_ {DS}.}

El término es 1 cuando el valor dentro del corchete es positivo y 0 cuando es negativo. V _SC es el voltaje autoconsistente que ilustra que la energía CNT se ve afectada por los voltajes de los terminales externos y está implícitamente relacionada con los voltajes de los terminales del dispositivo y las cargas en las capacitancias de los terminales mediante la siguiente ecuación no lineal: ${\ Displaystyle \ Theta (E-E_ {g} / 2)}$

{\ Displaystyle V_ {SC} = {\ frac {-Q_ {t} + qN_ {S} (V_ {SC}) + qN_ {D} (V_ {SC}) - qN_ {0}} {C _ {\ Sigma }}}}

donde Q _t representa la carga almacenada en capacitancias terminales, y la capacitancia terminal total C _Σ es la suma de las capacitancias de puerta, drenaje, fuente y sustrato que se muestran en la figura anterior. El enfoque estándar para la solución de la ecuación de voltaje autoconsistente es utilizar el método iterativo de Newton-Raphson. De acuerdo con la teoría del transporte balístico de CNT, la corriente de drenaje causada por el transporte de la carga en desequilibrio a través del nanotubo se puede calcular utilizando las estadísticas de Fermi-Dirac .

{\ Displaystyle I_ {DS} = {\ frac {2qkT} {\ pi {\ hbar}}} \ left [F_ {0} \ left ({\ frac {U_ {SF}} {kT}} \ right) - F_ {0} \ left ({\ frac {U_ {DF}} {kT}} \ right) \ right]}

Aquí F ₀ representa la integral de Fermi – Dirac de orden 0, k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura y ℏ la constante de Planck reducida . Esta ecuación se puede resolver fácilmente siempre que se conozca el voltaje autoconsistente. Sin embargo, el cálculo puede llevar mucho tiempo cuando se necesita resolver el voltaje autoconsistente con el método iterativo, y este es el principal inconveniente de este cálculo.

Ventajas clave

Mejor control sobre la formación de canales
Mejor voltaje de umbral
Mejor pendiente subumbral
Alta movilidad de electrones
Alta densidad de corriente
Alta transconductancia
Alta linealidad

Comparación con MOSFET

Los CNTFET muestran características diferentes en comparación con los MOSFET en sus actuaciones. En una estructura de puerta plana, el p-CNTFET produce ~ 1500 A / m de corriente por unidad de ancho en una sobremarcha de puerta de 0,6 V, mientras que p-MOSFET produce ~ 500 A / m con el mismo voltaje de puerta. Esta ventaja en corriente proviene de la alta capacitancia de la puerta y el transporte de canal mejorado. Dado que una capacitancia de puerta efectiva por unidad de ancho de CNTFET es aproximadamente el doble que la de p-MOSFET, la compatibilidad con dieléctricos de puerta de alto k se convierte en una ventaja definitiva para los CNTFET. Aproximadamente el doble de velocidad de portadora de los CNTFET que de los MOSFET proviene del aumento de la movilidad y la estructura de la banda. Los CNTFET, además, tienen una transconductancia cuatro veces mayor.

Se fabricó el primer transistor CNT de menos de 10 nanómetros que superó a los mejores dispositivos de silicio de la competencia con más de cuatro veces la densidad de corriente normalizada por diámetro (2,41 mA / μm) a un voltaje de funcionamiento de 0,5 V.La pendiente subumbral inversa del CNTFET fue de 94 mV / década.

Disipación de calor

La disminución de la corriente y la quema de CNT pueden ocurrir debido a la temperatura elevada por varios cientos de kelvin. Generalmente, el efecto de autocalentamiento es mucho menos severo en un CNTFET semiconductor que en uno metálico debido a los diferentes mecanismos de disipación de calor. Una pequeña fracción del calor generado en el CNTFET se disipa a través del canal. El calor no se distribuye uniformemente y los valores más altos aparecen en los lados de fuente y drenaje del canal. Por lo tanto, la temperatura se reduce significativamente cerca de las regiones de origen y drenaje. Para los CNT semiconductores, el aumento de temperatura tiene un efecto relativamente pequeño sobre las características de IV en comparación con el silicio.

Desventajas

Vida útil (degradación)

Los nanotubos de carbono se degradan en unos pocos días cuando se exponen al oxígeno. Se han realizado varios trabajos para pasivar los nanotubos con diferentes polímeros y aumentar su vida útil.

Recientemente se ha demostrado que los nanotubos de carbono son estables en el aire durante muchos meses y probablemente más, incluso cuando están en funcionamiento continuo. Mientras se aplican voltajes de compuerta, la corriente del dispositivo puede experimentar alguna desviación / asentamiento indeseable, pero los cambios en la compuerta restablecen rápidamente este comportamiento con pocos cambios en el voltaje de umbral.

Fiabilidad

Los nanotubos de carbono han mostrado problemas de confiabilidad cuando se operan bajo un alto campo eléctrico o gradientes de temperatura. La ruptura por avalancha ocurre en el CNT semiconductor y la ruptura en julios en el CNT metálico. A diferencia del comportamiento de las avalanchas en el silicio, las avalanchas en los NTC son insignificantemente dependientes de la temperatura. La aplicación de altos voltajes más allá del punto de avalancha da como resultado un calentamiento Joule y una eventual ruptura en los CNT. Este problema de confiabilidad ha sido estudiado y se observa que la estructura de múltiples canales puede mejorar la confiabilidad del CNTFET. Los CNTFET de canales múltiples pueden mantener un rendimiento estable después de varios meses, mientras que los CNTFET de canal único generalmente se desgastan después de algunas semanas en la atmósfera ambiental. Los CNTFET de múltiples canales siguen funcionando cuando algunos canales se rompen, con un pequeño cambio en las propiedades eléctricas.

Dificultades en la producción en masa, costo de producción.

Aunque los CNT tienen propiedades únicas como rigidez, resistencia y tenacidad en comparación con otros materiales, especialmente el silicio, actualmente no existe tecnología para su producción en masa y alto costo de producción. Para superar las dificultades de fabricación, se han estudiado varios métodos, como el crecimiento directo, el vertido de solución y diversas técnicas de impresión por transferencia. Los métodos más prometedores para la producción en masa implican cierto grado de autoensamblaje de nanotubos preproducidos en las posiciones deseadas. La manipulación individual de muchos tubos no es práctica a gran escala y hacerlos crecer en sus posiciones finales presenta muchos desafíos.

Trabajo futuro

El trabajo futuro más deseable involucrado en los CNTFET será el transistor con mayor confiabilidad, costo de producción barato o el que tenga mejores rendimientos. Por ejemplo, se podrían hacer tales esfuerzos: agregar efectos externos al transistor CNT interno como la barrera Schottky entre el CNT y los contactos metálicos, múltiples CNT en una sola puerta, capacitancias de franja de canal, resistencia de fuente / drenaje parásita y resistencia en serie debido a los efectos de dispersión.

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