Нанотранзисторные структуры на новых материалах

Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок. Углеродные панотрубки обладают хорошими эмиссионными способностями и являются перспективными элементами ряда приборов микро- и наноэлектроники.

Углеродные нанотрубки представляют собой кристаллические структуры, в которых углерод проявляется в виде новой аллотропной модификации. Гипотетически нанотрубки можно получить путем свертывания листа графена по определенной оси. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации задает хиральность нанотрубки, которая обозначается набором символов (т, п). Эти символы указывают координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат.

Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла 0 между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать ее диаметр D. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (т, п) однозначным образом определяют ее диаметр: + п., + тп [3а/п, где а — постоянная решетки, а = 1,42 А. Угол 0

определяется из соотношения tg 0 = л/З-—.

2п + т

Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (т, п) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы 0 = 0° (armchair, или кресельная конфигурация) и а = 30° (zigzag, или зигзаг-конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (т, 0) и (2п, п).

Степень скрученности нанотрубок, характеризуемая парой чисел т и п, оказывает значительное влияние на электрические свойства нанотрубки, определяет ее зонную структуру и взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости на энергетической диаграмме. Если разность п - т кратна трем, то нанотрубка будет обладать электронной проводимостью по типу металлов. Такими свойствами обладают нанотрубки типа «кресло». Во всех остальных случаях нанотрубки являются полупроводниками, п между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона с шириной от нескольких десятых до единиц электрон-вольт (эВ), причем чем меньше диаметр нанотрубки, тем больше ширина запрещенной зоны. Заметим, что с металлическим типом проводимости образуется около 33%, а с полупроводниковыми свойствами — 67%.

Обычно используют нанотрубки диаметром 0,7—1,6 нм, что меньше толщины человеческого волоса в ~104—10Л раз.

Нанотрубки представляют собой циклические структуры, обод которых составляет порядка десятков атомов углерода. Нанотрубки на сегодняшний день являются самыми прочными и вместе с тем эластичными волокнами. Их механическая прочность почти на два порядка выше, чем у аналогичной стальной конструкции. Среди других уникальных свойств нанотрубок следует отметить их высокую электропроводность (в 103 больше, чем у меди). Электрон проходит через нанотрубку в баллистическом режиме без элек- трон-фононного взаимодействия и выделения «джоулева тепла».

Созданы транзисторные структуры на основе нанотрубок. В определенном отношении такой транзистор является аналогом нолевого транзистора. На пластину кремния наносится слой оксида кремния, служащий изолятором. Между истоком и стоком крепится нанотрубка длиной несколько десятков нанометров. Она же служит каналом переноса носителей (рис. 5.16).

Конструкция полевого транзистора на основе нанотрубки

Рис. 5.16. Конструкция полевого транзистора на основе нанотрубки

Затвором служит подложка кремния, на которую подается управляющий потенциал. В обычном состоянии канал закрыт, поскольку концентрация свободных носителей зарядов в наиотрубке мала. Ширина запрещенной зоны составляет несколько электрон-вольт. При помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны уменьшается, а концентрация свободных носителей зарядов возрастает. Максимум концентрации носителей в валентной зоне достигается при напряжении около 6 В.

При подаче на затвор потенциала возникает электрическое поле, которое способствует проводимости нанотрубки, и соответственно, возможности открывать и запирать транзистор. Такой нанотранзистор может работать на частотах до 1 ТГц, что на два порядка превосходит скорость современных компьютеров. Частотные параметры достигаются за счет высокой подвижности электронов в нанотрубках (порядка 105 см2/В с).

Разработана модель транзистора на ветвящихся Y-образных нанотрубках. Для создания таких структур на нанотрубку линейного типа наносят частицы каталически активного титана. Они формируют на «стволе» нанотрубке точку роста второй ветви. «Ветвящаяся» нанотрубка, прикрепленная к подложке, представляет собой готовую транзисторную структуру (рис. 5.17).

Исследования показали, что при приложении на «ствол» наиотрубки отрицательного напряжения протекание тока от истока к стоку прекращает-

Структура транзистора на основе нанотрубки

Рис. 5.17. Структура транзистора на основе нанотрубки

ся. При положительном потенциале на «стволе» затворе наблюдается протекание тока от одной «ветви» к другой. Проводятся исследования по созданию транзисторных структур на панотрубках типа «Т» и «X». Есть перспектива создания разветвленных сетей на основе нанотрубок. Возможно создание некоторого подобия чипов для компьютеров, которые будут отличаться сверхкомнактиостыо и сверхоперативностыо.

Исследователи из университета Беркли, Калифорния (США), разработали наножидкостиой транзистор с использованием углеродных нанотрубок (рис. 5.18). Примечательно, что конструкция и характеристики таких транзисторов схожи с МОП-транзисторами. В качестве носителей информации в таких структурах используются молекулы, а не электроны.

Структура наножидкостного транзистора

Рис. 5.18. Структура наножидкостного транзистора:

  • 1 — наножидкостные каналы; 2 — резервуар стока; 3 — резервуар истока;
  • 4 — электрод затвора

Между резервуарами истока и стока расположен наноканал диаметром порядка 30 им, в качестве которого может служить нанотрубка. Канал заполнен водой с добавлением ионов растворенных солей. Канал располагается между двумя слоями диоксида кремния. При подаче напряжения на электрод затвора (-75 В) протекание жидкости от резервуара истока к резервуару стока прекращается. Такой нанотранзистор можно использовать для детектирования химических соединений. Ожидается, что группа нано- жидких транзисторов может образовывать вычислительные устройства, сходные с кремниевыми процессорами.

Нанотранзисторы на основе графена. Открытие графена как нового материала микро- и наноэлектроники стало не только эволюционным, но и революционным событием в постоянно прогрессирующих высоких технологиях. Графен представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода и обладает уникальными механическими и электрическими свойствами. Прочность графена более чем на порядок превосходит прочность всех известных в настоящее время веществ. Его высокая теплопроводность способствует быстрому рассеиванию тепла.

Электроны проходят через графен, почти не встречая сопротивления материала и соответственно не выделяя джоулево тепло. Зонная структура графена такова, что отсутствует запрещенная зона. В графене для электронов и дырок имеет место линейный закон дисперсии, как для релятивистских частиц. В этом случае электроны ведут себя как носители заряда, эффективная масса которых равна нулю. Подвижность обоих типов носителей в графене составляет более 20 м2/Вс (у кремния — 0,15 м2/В *с).

С появлением графена интенсивно стали проводиться исследования по созданию транзисторных структур. Создание графенового транзистора может стать заметной вехой на пути преодоления 30-нанометрового барьра миниатюризации электронных устройств.

Одной из первых конструкций был транзистор с использованием квантовой точки в виде островка из графена (рис. 5.19). Исток и сток выполняются из графена. Между ними расположен островок шириной порядка 100 нм, также выполненный из графена. Этот островок представляет собой квантовую точку, в которую может туннелировать только один электрон в заданный момент времени.

Графеновый транзистор на квантовой точке (Х40 000)

Рис. 5.19. Графеновый транзистор на квантовой точке (Х40 000)

Другие электроны в силу кулоновской блокады не попадают на островок. Напряжением на затворе можно заставить электрон туннелировать на этот электрод. Логический ноль соответствует отсутствию электрона на островке, и соответственно наличие электрона на островке формирует логическую единицу.

Разработана конструкция транзистора на основе графеновой наноленты. Графеновая лента шириной порядка 10 нм, выполняющая функцию канала переноса носителей, закрепляется на кристалле высокопроводящего кварца. На кварцевый затвор наносится пленка диоксида кремния толщиной 10 нм. Палладиевые контакты формируют электроды истока и стока (рис. 5.20).

Конструкция полевого транзистора на основе графеновой ленты

Рис. 5.20. Конструкция полевого транзистора на основе графеновой ленты

Управление транзистором осуществляется путем подачи соответствующего напряжения на затвор. Транзистор способен работать при комнатной температуре. Рабочая частота графенового транзистора во многом зависит от его размеров и составляет порядка 20 ГГц. Терагерцевый транзистор, как ожидается, будет создан при длине затвора примерно в 50 нм. С этой целью будет осуществлен переход на кремниевую подложку и произведен поиск материалов для подзатворного изолятора, подходящего для терагерцевого диапазона частот.

Весьма перспективная конструкция графенового транзистора использует в качестве затвора транзистора наноироводник. Структура такого нано- нроводника состоит из ядра на основе силицида кобальта (Со.,Si), покрытого оболочкой из оксида алюминия (А1203). Такой нитевидный затвор располагается на графеновом листе (рис. 5.21).

Структура графенового транзистора с нанопроводником (а)

Рис. 5.21. Структура графенового транзистора с нанопроводником (а).

Нанопроводник покрыт изолирующей оболочкой (б)

Транзистор покрывается слоем платины толщиной в 10 нм с целью увеличить усиление по току. Длина канала, формируемого затвором в графене, составила 100—300 нм. Транзистор мог генерировать сигналы в частотном диапазоне до 300 ГГц при ширине канала порядка 140 им.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >