Исследователи из немецкой фирмы Infineon Technologies AG изготовили полевой транзистор на основе одностенной углеродной нанотрубки с рекордно малой длиной канала - 18 нанометров.

Как и в обычных полевых транзисторах, в "нанотрубных" транзисторах управление током через транзистор (ток течет от "истока" к "стоку" по "каналу", в качестве которого используется углеродная нанотрубка), осуществляется с помощью специального элемента (затвора): за счет изменения приложенного к затвору напряжения меняется электрическое поле в области канала, что и позволяет управлять протекающим через канал током. Хотя по ряду причин нанотрубным транзисторам пока еще сложно конкурировать со своими кремниевыми собратьями, в последние годы идет быстрый прогресс в области технологии их изготовления (см., например, нашу новость). Совсем недавно немецкими исследователями был изготовлен транзистор на основе одностенной углеродной нанотрубки с рекордно малой длиной канала - 18 нм [1].

Транзисторы из нанотрубок формировали на поверхности сильно легированной кремниевой подложки, покрытой слоем диэлектрика (SiO₂) толщиной 12 нм (этот слой необходим, чтобы изолировать канал, исток и сток от затвора). Для начала проводилось структурирование поверхности - на нее наносились металлические островки, покрытые субнанометровым слоем никеля, который выполнял роль катализатора; островки были разнесены на расстояние 2 мкм. Затем методом химического осаждения из газовой фазы выращивались одностенные углеродные нанотрубки (в последнее время рост нанотрубок на структурированных поверхностях с использованием катализаторов используется все шире - см., например, нашу новость "Светящиеся мостики" в наномире").

Рис.1. Формирование транзистора на основе отдельной углеродной нанотрубки (source - исток, drain - сток, gate - затвор).

Дальнейший процесс формирования транзистора подробно изображен на рис.1. Сначала с помощью электронной литографии формировалась тонкая перегородка для разделения двух электродов (истока и стока) - рис.1a (схема) и рис.1b (изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии). Затем производилось структурирование области электродов для их последующего нанесения (рис.1c) и собственно нанесение электродов из палладия толщиной 10 - 12 нм (рис.1d), после чего ненужные оставшиеся слои резиста удалялись (рис.1e,1f). Таким образом удавалось получать полевые транзисторы с каналом из одностенных углеродных нанотрубок (диаметром от 0.7 до 1.1 нм) длиной до 18 нм.

На рис.2 показана зависимость тока исток-сток от приложенного к затвору напряжения. Видно, что величина тока при "открытом" затворе превышает величину тока при "закрытом" затворе более чем в миллион раз. Всего же сила тока через транзитор на основе полупроводниковых углеродных нанотрубок может превышать 15 мкА, что соответствует плотности тока выше 10⁹ А/см² (дальнейшее увеличение тока приводит к повреждению палладиевых электродов).

Рис.2. Зависимость тока исток-сток (Isd) от напряжения, приложенного к затвору (Vgs), при определенном напряжении исток-сток (Vsd).

Ученые предлагают и способы дальнейшего улучшения характеристик нанотрубного транзистора. Во-первых, при использовании диэлектрика с более высокой диэлектрической проницаемостью (такого, как ZrO₂), можно существенно усилить зависимость силы тока через канал от приложенного к затвору напряжения. Во-вторых, можно значительно увеличить максимальный ток через транзистор при использовании одновременно нескольких параллельных углеродных нанотрубок в качестве канала транзистора. Возможно, подобные оптимизированные транзисторы на основе углеродных нанотрубок уже смогут составить реальную конкуренцию своим кремниевым собратьям.

1. R.V.Seidel, A.P.Kretz, B.Rajasekharan, G.S.Duesberg, M.Liebau, E.Unger, F.Kreupl, and W.Hoenlin. e-print cond-mat/0411177; будет опубликовано в журнале Nano Letters.

Е.Онищенко