Синтез транзисторов на основе нанотрубок ускорили в тысячу раз

Ученые из Канады и США нашли два способа, позволяющие ускорить синтез транзисторов на основе углеродных нанотрубок. В первом способе подложку опускали в раствор на 10 секунд, высушивали и повторяли процедуру. Во втором способе на подложку капали раствором с нанотрубками и давали высохнуть. Исследователи смогли сократить время синтеза подложек с двух дней до 150 секунд, сохранив при этом совместимость с современными техпроцессами. Микросхема с такими транзисторами будет потреблять в три раза меньше энергии, чем при использовании традиционных кремниевых устройств. Статья опубликована в журнале Nature Electronics.

Согласно закону масштабирования Деннарда, уменьшение размера транзисторов и увеличение тактовой частоты процессоров повышают его производительность. Однако вместе с уменьшением размера транзисторов возрастает стоимость процессоров и падает их энергопотребление. Уменьшение размера кремниевых полевых транзисторов на данный момент не дает существенного уменьшения энергопотребления. Чтобы сделать вычислительные устройства более дешевыми и энергоэффективными, ученые ищут новые материалы, которые могут стать заменой кремнию и при этом будут совместимы с существующей кремниевой электроникой.

Один из перспективных материалов для создания транзисторов нового поколения — углеродные нанотрубки. Их небольшой размер — порядка 1,2 нанометра в диаметре — и высокая скорость носителей заряда позволяет создавать на их основе сверхбольшие интегральные схемы, скорость обработки информации которых в три раза выше, а потребление энергии — в три раза ниже традиционных кремниевых. Однако до сих пор наладить промышленное производство транзисторов на основе нанотрубок не удалось.

Одна из проблем заключается в том, что такие транзисторы несовместимы с КМОП — технологией, на основе которой сегодня создается большая часть интегральных микросхем. Согласно КМОП, на кристалле микросхемы должны располагаться транзисторы с изолированным затвором и каналами разной проводимости — электронной или дырочной. Другая проблема — большое количество времени, необходимое для производства таких транзисторов.

В предыдущих работах физики уже сообщали о создании КМОП-совместимых транзисторов с электронной проводимостью. Однако используемый ими метод синтеза не позволял равномерно наносить нанотрубки на поверхности большой площади. Из-за этого наблюдались различия в проводимости и концентрации носителей заряда транзисторов, которые не позволяли использовать их в одной микросхеме.

Команда исследователей из Канады и США под руководством Минди Д. Бишоп (Mindy D. Bishop) разработала новый метод нанесения углеродных нанотрубок на поверхности. С помощью него можно равномерно наносить нанотрубки на подложки диаметром 200 миллиметров, которые сегодня используются в промышленном производстве транзисторов.

Авторы работы взяли за основу метод осаждения нанотрубок из раствора, в ходе которого подложка помещается в толуол с диспергированными в нем нанотрубками и выдерживается там в течение двух дней. Вместо такого длительного погружения исследователи помещали подложку в раствор примерно на 10 секунд, после чего вынимали ее и высушивали. Затем процесс повторяли, пока концентрация нанотрубок на подложке не достигла предела. Осаждение нанотрубок таким методом заняло в общей сложности 150 секунд — в 1100 раз меньше, чем требовалось до сих пор.

Второй метод заключался в нанесении на подложку капли толуола с диспергированными нанотрубками. Органический растворитель довольно быстро испарялся, а нанотрубки равномерно распределялись по поверхности подложки. Такой способ позволил увеличить плотность расположения нанотрубок на подложке в 2,5 раза по сравнению с обычным осаждением, но потребовал значительно больше времени по сравнению с первым методом.

Теперь исследователи планируют создать с помощью новых методов различные интегральные микросхемы в промышленных условиях и изучить их характеристики. Если все пройдет удачно, станет возможным создавать микросхемы с полевыми транзисторами на углеродных нанотрубках в промышленных масштабах. Эти устройства в будущем могут стать более экономичной и мощной альтернативой кремниевой электронике.

Ранее та же группа исследователей уже сообщала о создании первого в мире 16-битного микропроцессора, транзисторы которого состоят из углеродных нанотрубок. Тогда ученые смогли даже запустить на нем программу, которая выводит слова «Hello, World!». Однако без быстрого метода синтеза транзисторов процессор пока так и остается в стенах лаборатории.

Никита Шевцев