ترانزیستور اثر میدان نانولوله کربنی

تصویر: نموداری که نشان می دهد یک نانولوله کربنی اساساً گرافنِ پیچیده شده است.
 
ترانزیستور اثر میدان نانولوله کربنی (carbon nanotube field-effect transistor (CNTFET)) یک ترانزیستور اثر میدان است که از یک نانولوله کربنی یا آرایه ای از نانولوله های کربنی به عنوان ماده کانال به جای سیلیکون حجیم در ساختار ماسفت ((metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET)  سنتی استفاده می کند. این ترانزیستور اولین بار در سال 1998 نشان داده شد، و از آن زمان پیشرفت های عمده ای در CNTFET ها وجود داشته است.
 

مقدمه و پیشینه

طبق قانون مور، ابعاد تک تک دستگاه ها در یک مدار مجتمع تقریباً هر دو سال یک بار کاهش می یابد. این کاهش حجم دستگاه‌ها، نیروی محرکه پیشرفت‌های فناوری از اواخر قرن بیستم بوده است. با این حال، همان طور که توسط ویرایش 2009 ITRS اشاره شد، کاهش بیشتر با محدودیت‌های جدی مربوط به فناوری ساخت و عملکرد دستگاه مواجه شده است، زیرا بعد بحرانی به محدوده زیر 22 نانومتر کاهش یافته است. محدودیت‌ها شامل تونل زدن الکترون از طریق کانال‌های کوتاه و لایه‌های عایق نازک، جریان‌های نشتی مرتبط، اتلاف نیروی غیرفعال، اثرات کانال کوتاه، و تغییرات در ساختار دستگاه و دوپینگ است. این محدودیت‌ها را می‌توان تا حدی برطرف کرد و با اصلاح مواد کانال در ساختار ماسفت حجیم سنتی با یک نانولوله کربنی یا مجموعه‌ای از نانولوله‌های کربنی، کوچک‌سازی بیشتر ابعاد دستگاه را تسهیل کرد.
 

ساختار الکترونیکی نانولوله های کربنی

 
تصویر: ساختار اتمی گرافن با یک بردار انتقالی T و یک بردار کایرال Ĉ یک CNT
 
برای اولین تقریب، خواص الکتریکی استثنایی نانولوله‌های کربنی را می‌توان به‌عنوان میراثی از ساختار الکترونیکی منحصربه‌فرد گرافن مشاهده کرد، مشروط بر این که نانولوله کربنی به صورت گرافن در امتداد یکی از بردارهای شبکه Bravais  مربوط به Ĉ پیچیده شده و یک استوانه توخالی را تشکیل دهد. در این ساختار، شرایط مرزی دوره‌ای در طول Ĉ اعمال می‌شود تا شبکه‌ای از اتم‌های کربن به‌طور یکپارچه روی سطح سیلندر ایجاد شود.
 
نمودارهای پراکنده از شکاف های نواری نانولوله های کربنی با قطر تا سه نانومتر محاسبه شده با استفاده از یک مدل اتصال محکم تمام ظرفیتی که شامل اثرات انحنا می باشد، در اوایل تحقیقات نانولوله های کربنی ظاهر شدند و در یک بررسی مجدد چاپ شدند.
 

انگیزه ها برای کاربردهای ترانزیستور

شکاف باند نانولوله کربنی مستقیماً تحت تأثیر زاویه و قطر کایرال آن است. اگر بتوان این ویژگی ها را کنترل کرد، CNT ها یک نامزد امیدوارکننده برای دستگاه های ترانزیستور در مقیاس نانو در آینده خواهند بود. علاوه بر این، به دلیل عدم وجود مرز در ساختار سیلندر کامل و توخالی CNT ها، پراکندگی مرزی وجود ندارد. نانولوله‌های کربنی همچنین مواد شبه 1 بعدی هستند که در آنها فقط پراکندگی رو به جلو و عقب مجاز است و پراکندگی الاستیک به این معنی است که مسیرهای آزاد در نانولوله‌های کربنی معمولاً در حد میکرومتر طولانی هستند. در نتیجه، انتقال شبه بالستیک را می توان در نانولوله ها در طول های نسبتاً طولانی و میدان های کم مشاهده کرد. به دلیل پیوند کووالانسی کربن-کربن قوی در پیکربندی sp، نانولوله های کربنی از نظر شیمیایی بی اثر هستند و قادر به انتقال جریان های الکتریکی بزرگ هستند. در تئوری، نانولوله‌های کربنی همچنین می‌توانند گرما را تقریباً به خوبی الماس یا یاقوت کبود هدایت کنند، و به دلیل ابعاد کوچک آن‌ها، CNTFET باید با استفاده از توان بسیار کمتری نسبت به دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون، به طور قابل اعتمادی سوئیچ شود.
 

ساخت دستگاه

انواع مختلفی از دستگاه هایCNTFET  وجود دارد. یک بررسی کلی از رایج ترین هندسه ها در زیر پوشش داده شده است.
 

CNTFET های دریچه پشتی

 نمای بالا
   نمای کنار
تصو.یر: نمای بالا و کناری یک CNTFET با درب پشتی سیلیکونی. CNTFET متشکل از نانولوله های کربنی است که بر روی یک بستر اکسید سیلیکون از پیش طرح شده با منبع کروم/طلا و تماس های تخلیه قرار گرفته اند.
 
اولین تکنیک‌ها برای ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی نانولوله‌های کربنی (CNT) شامل طرح‌بندی نوارهای موازی فلز در سطح زیرلایه دی اکسید سیلیکون، و سپس رسوب CNT‌ها در بالا در یک الگوی تصادفی بود. نانولوله های کربنی نیمه رسانا که اتفاقاً در دو نوار فلزی قرار گرفتند، تمام الزامات لازم برای یک ترانزیستور اثر میدان ابتدایی را برآورده می کنند. یک نوار فلزی تماسِ "منبع" است در حالی که دیگری تماسِ "تخلیه" است. زیرلایه اکسید سیلیکون را می توان به عنوان اکسید دروازه استفاده کرد و افزودن یک تماس فلزی در پشت باعث می شود که CNTِ نیمه هادی، دریچه ای شود.
 
این تکنیک از چندین ایراد رنج می برد که باعث می شد ترانزیستورهای بهینه نشده باشند. اولین مورد تماس فلزی بود که در واقع تماس بسیار کمی با CNT داشت، زیرا نانولوله فقط در بالای آن قرار داشت و منطقه تماس بسیار کوچک بود. همچنین، به دلیل ماهیت نیمه هادی CNT، یک مانع شاتکی در رابط فلز-نیمه هادی شکل می گیرد، که مقاومت تماس را افزایش می دهد. اشکال دوم به دلیل هندسه دستگاه پشت دروازه بود. ضخامت آن روشن و خاموش کردن دستگاه ها را با استفاده از ولتاژهای پایین دشوار می کرد و فرآیند ساخت منجر به تماس ضعیف بین دی الکتریک گیت و CNT میشد.
 

CNTFET های دارای دروازه بالا

 
تصویر: فرآیند ساخت CNTFET با دروازه بالا.
 
در نهایت، محققان از رویکرد دروازه‌های پشتی به فرآیند ساخت دروازه‌ای پیشرفته‌تر مهاجرت کردند. در مرحله اول، نانولوله های کربنی تک جداره محلول بر روی یک بستر اکسید سیلیکون قرار می گیرند. سپس تک تک نانولوله ها از طریق میکروسکوپ نیروی اتمی یا میکروسکوپ الکترونی روبشی جا داده می شوند. پس از جداسازی یک لوله مجزا، با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی با وضوح بالا، تماس های منبع و تخلیه تعریف و الگوبرداری می شوند. یک مرحله آنیل در دمای بالا با بهبود چسبندگی بین تماس ها و CNT، مقاومت تماس را کاهش می دهد. سپس یک دی الکتریک بالای دروازه نازک، از طریق تبخیر یا رسوب لایه اتمی، در بالای نانولوله قرار می گیرد. در نهایت، کنتاکت گیت بالایی بر روی دی الکتریک گیت قرار می گیرد و فرآیند را تکمیل می کند.
 
آرایه‌هایی از CNTFET ‌های دروازه‌دار بالا را می‌توان روی یک ویفر ساخت، زیرا کنتاکت‌های گیت برخلاف کیس درب پشتی، از نظر الکتریکی از یک دیگر جدا شده‌اند. همچنین، به دلیل نازکی دی الکتریک گیت، می توان با استفاده از ولتاژ گیت کمتر، میدان الکتریکی بزرگتری نسبت به نانولوله ایجاد کرد. این مزایا به این معنی است که دستگاه‌های دارای دروازه‌ی بالا، علی‌رغم فرآیند ساخت پیچیده‌تر، عموماً بر CNTFET ‌های با درب پشتی ترجیح داده می‌شوند.
 

CNTFET های دریچه ای در اطراف پیچیده

 
تصویر: CNT روکش دار
   
تصویر: دستگاه CNT گیت همه جانبه
 
CNTFET ‌های دروازه‌ای در اطراف پیچیده، که به نام CNTFET های دروازه‌ای همه‌جانبه نیز شناخته می‌شوند، در سال 2008 توسعه یافتند، و پیشرفت بیشتری در هندسه دستگاه‌های گیت بالا هستند. در این دستگاه، به جای دروازه‌بندی تنها بخشی از CNT که به کنتاکت گیت فلزی نزدیک‌تر است، کل محیط نانولوله دریچه‌ای می‌شود. این به طور ایده آل باید عملکرد الکتریکی CNTFET را بهبود بخشد، جریان نشتی را کاهش دهد و نسبت روشن/خاموش دستگاه را بهبود بخشد.
 
ساخت دستگاه با پیچاندن CNT ها در یک دی الکتریکِ گیت و تماس گیت از طریق رسوب لایه اتمی آغاز می شود. سپس این نانولوله‌های پیچیده شده به صورت محلول بر روی یک بستر عایق قرار می‌گیرند، جایی که پوشش‌ها تا حدی بریده می‌شوند و انتهای نانولوله ها در معرض دید قرار می‌گیرند. سپس منبع، تخلیه و کنتاکت های دروازه بر روی انتهای CNT و پوشش فلزی دروازه hd بیرونی قرار می گیرند.
 

CNTFET های معلق

 
تصویر: یک دستگاه CNTFET معلق.
 
با این حال، یک هندسه دستگاه CNTFET دیگر شامل تعلیق نانولوله بر روی یک ترانشه برای کاهش تماس با زیرلایه و اکسید دروازه است. این روش دارای مزیت کاهش پراکندگی در رابط زیرلایه CNT، و درنتیجه، بهبود عملکرد دستگاه است. روش‌های زیادی برای ساخت CNTFET ‌های معلق استفاده می‌شود، از رشد آن‌ها بر روی ترانشه‌ها با استفاده از ذرات کاتالیزور گرفته تا انتقال آن‌ها بر روی یک بستر و سپس حکاکی پایین دی‌الکتریک زیر، و تا انتقال چاپ بر روی یک بستر ترانشه‌شده.
 
مشکل اصلی که CNTFET های معلق از آن رنج می برند این است که آنها گزینه های مواد بسیار محدودی برای استفاده به عنوان دی الکتریک گیت (عموماً هوا یا خلأ) دارند و اعمال بایاس گیت باعث نزدیکتر شدن نانولوله به دروازه می شود که حد بالایی را در مورد این که نانولوله چقدر می تواند دروازه ای شود ایجاد می کند. این تکنیک همچنین فقط برای نانولوله‌های کوتاه‌تر کار می‌کند، زیرا لوله‌های بلندتر در وسط خم می‌شوند و به سمت دروازه فرو می‌روند و احتمالاً تماس فلزی را لمس کرده و دستگاه را کوتاه می‌کنند. به طور کلی، CNTFET های معلق برای کاربردهای تجاری کاربردی نیستند، اما می توانند برای مطالعه خواص ذاتی نانولوله های تمیز مفید باشند.
 

ملاحظات مواد CNTFET

تصمیمات کلی وجود دارد که باید هنگام در نظر گرفتن این که از چه موادی برای ساخت یک CNTFET استفاده شود، اتخاذ کرد. نانولوله های کربنی تک جداره نیمه هادی نسبت به لوله های فلزی تک جداره و چند جداره فلزی ترجیح داده می شوند زیرا می توانند به طور کامل خاموش شوند، حداقل برای بایاس های منبع/ تخلیه کم. کار زیادی برای یافتن یک ماده تماس مناسب برای CNT های نیمه هادی انجام شده است. بهترین ماده تا به امروز پالادیوم است، زیرا عملکرد کاری آن با نانولوله ها مطابقت دارد و به خوبی به CNT ها می چسبد.
 

ویژگی های I-V

در کنتاکت‌های CNT-فلز، عملکردهای کاری متفاوت فلز و CNT منجر به ایجاد مانع شاتکی در منبع و تخلیه می‌شود که از فلزاتی مانند نقره، تیتانیوم، پالادیوم و آلومینیوم ساخته شده‌اند. حتی اگر مانند دیودهای مانع شاتکی، موانع باعث می‌شد این FET فقط یک نوع حامل را حمل کند، انتقال حامل از طریق رابط فلز-CNT تحت سلطه تونل‌زنی مکانیکی کوانتومی از طریق مانع شاتکی است. CNTFET ها را می توان به راحتی توسط میدان دروازه نازک کرد به طوری که تونل زدن از طریق آنها منجر به سهم جریان قابل توجهی می شود. CNTFET ها دوقطبی هستند. یا الکترون‌ها یا حفره‌ها، یا هر دو الکترون و حفره را می‌توان به طور همزمان تزریق کرد. این باعث می شود ضخامت مانع شاتکی یک عامل مهم باشد.
 
CNTFET ها هنگامی که یک بایاس مثبت به گیت اعمال می شود، الکترون ها را هدایت می کنند و هنگامی که بایاس منفی اعمال می شود، حفره ها را هدایت می کنند، و با افزایش مقدار ولتاژ گیت اعمال شده، جریان تخلیه افزایش می یابد.
 طبق قانون مور، ابعاد تک تک دستگاه ها در یک مدار مجتمع تقریباً هر دو سال یک بار کاهش می یابد. این کاهش حجم دستگاه‌ها، نیروی محرکه پیشرفت‌های فناوری از اواخر قرن بیستم بوده است. مانند سایر FET ها، جریان تخلیه با افزایش بایاس تخلیه افزایش می یابد مگر این که ولتاژ گیت اعمال شده کمتر از ولتاژ آستانه باشد. برای CNTFET های مسطح با پارامترهای طراحی متفاوت، FET با طول کانال کوتاه تر، جریان اشباع بالاتری تولید می کند، و جریان تخلیه اشباع نیز برای FET های متشکل از قطر کمتر و با ثابت نگه داشتن طول، بیشتر می شود. برای CNTFET های استوانه ای، واضح است که جریان تخلیه بالاتری نسبت به CNTFET های مسطح ایجاد می شود، زیرا یک CNT توسط یک لایه اکسید احاطه شده است که در نهایت توسط یک کنتاکت فلزی که به عنوان ترمینال دروازه عمل می کند احاطه شده است.
 

استخراج نظری جریان تخلیه

  

تصویر: ساختار یک ترانزیستور CNT با گیت بالا
 
تحقیقات نظری در مورد جریان تخلیه ترانزیستور CNT  گیت-بالا توسط کازیرسکی و همکارانش انجام شده است. هنگامی که یک میدان الکتریکی به یک ترانزیستور CNT اعمال می شود، یک بار متحرک از منبع و تخلیه در لوله القا می شود. این بارها از چگالی حالت‌های سرعت مثبت پر شده توسط منبع NS و حالت‌های سرعت منفی پر شده توسط تخلیه ND هستند، و این چگالی‌ها توسط توزیع‌های احتمال فرمی دیراک تعیین می‌شوند.
 

مزایای کلیدی

* کنترل بهتر بر تشکیل کانال
* ولتاژ آستانه بهتر
* شیب زیرآستانه بهتر
* تحرک الکترون بالا
* چگالی جریان بالا
* انتقال رسانایی بالا
* خطی بودن بالا
 

اتلاف حرارت

کاهش جریان و سوزاندن CNT می تواند به دلیل افزایش دمای چند صد کلوین رخ دهد. به طور کلی، اثر خودگرمایی در یک CNTFET نیمه هادی به دلیل مکانیسم های مختلف اتلاف حرارت بسیار کمتر از یک فلز است. بخش کوچکی از گرمای تولید شده در CNTFET از طریق کانال پخش می شود. گرما به طور یکنواخت توزیع نمی شود و بالاترین مقادیر در طرف منبع و تخلیه کانال ظاهر می شود. بنابراین، دما به طور قابل توجهی در نزدیکی مناطق منبع و تخلیه کاهش می یابد. برای CNT نیمه هادی، افزایش دما در مقایسه با سیلیکون تأثیر نسبتا کمی بر ویژگی های I-V دارد.
 

معایب

طول عمر (تخریب)

نانولوله‌های کربنی در عرض چند روز در معرض اکسیژن تجزیه می‌شوند. کارهای متعددی در مورد غیرفعال کردن نانولوله‌ها با پلیمرهای مختلف و افزایش طول عمر آنها انجام شده است.
 
اخیراً نشان داده شده است که نانولوله‌های کربنی در هوا برای ماه‌ها و احتمالاً بیشتر پایدار هستند، حتی در صورت کارکرد مداوم. در حالی که ولتاژ گیت اعمال می شود، جریان دستگاه می تواند مقداری رانش/ته نشینی نامطلوب را تجربه کند، اما تغییرات در گیت به سرعت این رفتار را با تغییر اندکی در ولتاژ آستانه بازنشانی می کند.
 

قابلیت اطمینان

نانولوله‌های کربنی زمانی که تحت میدان الکتریکی بالا یا گرادیان‌های دمایی کار می‌کنند، مشکلات قابلیت اطمینان را نشان داده‌اند. شکست بهمنی در CNT نیمه هادی و شکست ژول در CNT فلزی رخ می دهد. بر خلاف رفتار بهمنی در سیلیکون، بهمن در CNT ها به طور ناچیز وابسته به دما است. اعمال ولتاژهای بالا فراتر از نقطه بهمن منجر به گرمایش ژول و در نهایت خرابی CNT ها می شود. این موضوعِ قابلیت اطمینان مورد مطالعه قرار گرفته است و متوجه شده اند که ساختار چند کاناله می تواند قابلیت اطمینان CNTFET را بهبود بخشد. CNTFET های چند کاناله می توانند پس از چند ماه عملکرد پایداری داشته باشند، در حالی که CNTFET های تک کانال معمولاً پس از چند هفته در جو محیط فرسوده می شوند. CNTFET های چند کاناله زمانی که برخی از کانال ها خراب می شوند، با تغییر جزئی در خواص الکتریکی، به کار خود ادامه می دهند.
 

مشکلات در تولید انبوه، هزینه تولید

اگرچه نانولوله‌های کربنی دارای خواص منحصربه‌فردی مانند سفتی، استحکام و سرسختی در مقایسه با سایر مواد به‌ویژه سیلیکون هستند، در حال حاضر هیچ فناوری‌ای برای تولید انبوه و هزینه تولید بالای آنها وجود ندارد. برای غلبه بر مشکلات ساخت، چندین روش مانند رشد مستقیم، ریزش محلول و تکنیک‌های مختلف چاپ انتقالی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. امیدوارکننده‌ترین روش‌ها برای تولید انبوه شامل درجاتی از مونتاژ نانولوله‌های از پیش تولید شده در موقعیت‌های مورد نظر است. دستکاری انفرادی بسیاری از لوله ها در مقیاس بزرگ غیر عملی است و رشد آنها در موقعیت های نهایی چالش های زیادی را به همراه دارد.
 

کار آینده

مطلوب ترین کار آینده‌ی درگیر در CNTFET های ترانزیستوری با قابلیت اطمینان بالاتر، هزینه تولید ارزان یا ترانزیستوری با عملکرد پیشرفته تر خواهد بود. به عنوان مثال، چنین تلاش هایی می تواند انجام شود: افزودن جلوه های خارجی به ترانزیستور CNT داخلی مانند مانع شاتکی بین CNT و کنتاکت های فلزی، چندین CNT در یک گیت، خازن های حاشیه کانال، مقاومت منبع/ تخلیه انگلی، و مقاومت سری به خاطر اثرات پراکندگی.
 
منبع: دِکِر ،