研究人員尋求通過在納米管和晶體管柵極之間，使用更薄的絕緣體來更好地控制碳納米晶體管。

在近日的IEEE Electron Devices Meeting (IEDM)會議上，碳納米管期間的最新研究成果揭曉。臺灣半導體制造公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company，TSMC）、加州大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）和斯坦福大學（Stanford University）的工程師解釋了一種新的制造工藝，這種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起開關作用的晶體管在需要時完全關閉至關重要。最近，人們對碳納米管晶體管的興趣有所增加，因為它們有望比硅晶體管更進一步縮小尺寸，并且提供了一種比硅更容易制造電路堆疊層的方法。

研究小組發明了一種制造更好柵介質的方法。這是柵極和晶體管溝道區域之間的絕緣層。在工作中，柵極上的電壓在溝道區域形成電場，切斷電流。然而，隨著幾十年來硅晶體管的規模不斷縮小，由二氧化硅制成的絕緣層不得不越來越薄，以便用更少的電壓控制電流，從而降低能耗。最終，絕緣層是如此之薄，以至于電荷實際上可以穿過它，泄漏電流并浪費能量。

十多年前，硅半導體工業通過改用一種新的介電材料二氧化鉿來解決這個問題。與先前使用的二氧化硅相比，這種材料具有高介電常數（high-k），這意味著相對較厚的high-k介電層在電學上相當于更薄的氧化硅層。

碳納米管晶體管也使用HfO2柵極電介質。而碳納米管的問題在于，它們不允許在控制縮小的器件所需的薄層中形成電介質。

沉積高介電常數（high-k）的方法稱為原子層沉積。顧名思義，它一次只構建一個原子層。然而，它需要一個起點。在硅中，這是在表面自然形成的原子薄層氧化物。

碳納米管并沒有為沉積的開始提供這樣的立足點。它們不會自然形成氧化層二氧化碳和一氧化碳 -- 畢竟是氣體。而納米管中的任何缺陷都會導致所需的“懸空鍵”，從而限制其傳導電流的能力。

Images: Greg Pitner/TSMCUntil now, growing a thin layer of the high-k dielectric hafnium dioxide atop a carbon nanotube was impossible. Researchers are Stanford and TSMC solved the problem by adding an intermediate-k dielectric between them.

“形成high-k電介質一直是一個大問題，”主持這項工作的TSMC首席科學家、斯坦福大學教授H.-S. Philip Wong說。你必須“基本上，把更厚的氧化物傾倒在納米管上”，而不是你想要的縮小晶體管。為了弄清這個問題的原因，Wong建議，想象一下，門電壓的作用就像用腳踩在花園的水管上，試圖阻止水流通過。如果在你的腳和水管之間放一堆類似于厚厚的氧化鐵門的枕頭，那就會變得更難。

臺積電（TSMC）的Matthias Passlack和加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的Andrew Kummel提出了一種解決方案，將HfO2的原子層沉積與一種新的沉積介電常數中間材料氧化鋁的方法結合起來。Al2O3是使用UCSD發明的一種稱為納米霧的工藝來沉積的。就像水蒸氣凝結成霧一樣，Al2O3凝結成團簇覆蓋在納米管表面。氫氟酸的原子層沉積可以開始使用這種界面電介質作為立足點。

這兩種電介質的綜合電氣特性使研究小組得以在直徑僅為15納米的柵極下方建造一個柵極電介質厚度小于4納米的裝置。所得到的器件具有與硅CMOS器件相似的通斷電流比特性，仿真結果表明，具有更薄柵介質的更小器件也可以工作。

但在碳納米管器件能夠與硅晶體管相匹配之前，還有很多工作要做。其中幾個問題已單獨解決，但尚未合并到單個設備中。例如，Wong的設備中的單個納米管限制了晶體管可以驅動的電流。Wong說，讓多個相同的納米管完美排列是一個挑戰。北京大學Lian-Mao Peng實驗室的研究人員最近成功地將每微米250個碳納米管排成一行，這意味著很快就會有一個解決方案。

另一個問題是該設備的金屬電極和碳納米管之間的電阻，特別是當這些觸點被縮小到接近當今先進硅芯片的尺寸時。

最后，需要摻雜碳納米管以增加柵極兩側的載流子數量。這種摻雜是在硅中通過用其他元素取代晶格中的一些原子來實現的。這在碳納米管中不起作用，因為它會破壞結構的電子能力。相反，碳納米管晶體管使用的是所謂的靜電摻雜。在這里，故意操縱電介質層的組成，以便將電子提供給納米管或將其引出。

Wong說：“我們非常興奮，因為我們正在一個接一個地擊落所有這些碎片。下一步是把所有這些結合起來……如果我們能把所有這些結合起來，我們就能打敗硅。”

責任編輯：xj

原文標題：碳納米晶體管體積更小 性能跟硅越來越接近

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