Транзисторы на нанотрубках

Хорошо известно, что тради­ционная кремниевая пленар­ная технология для изготовле­ния электронных микросхем подошла близко к своему теоретическому пределу по миниатюризации отдельных элементов. Дальше – размер в единицы нанометров: тран­зистор, сравнимый по величине с отдельно взятой молекулой. И здесь, в числе других «пре­тендентов», на сцену опять вы­ходят углеродные нанотрубки (УНТ). Прототипы транзисторов на УНТ уже созданы; мало того, что они меньше своих крем­ниевых «предков», – они ещё и значительно превосходят их по быстродействию.

Как его сделать?

С помощью УНТ можно создать поле­вой транзистор, принцип действия ко­торого полностью эквивалентен работе традиционного полевого транзистора, – за исключением того, что каналом пе­реноса носителей заряда является уг­леродная трубка. Простейшая схема та­кого транзистора изображена на рисунке

Транзистор изготавливают следую­щим образом. На кремниевую пластину наносят пару электродов – сток и исток, между которыми располагают нанотрубку. Сама пластина является затвором. В обычном состоянии канал закрыт, т.к. имеется потенциальный барьер для дырок. Зона проводимости и валент­ная зона разделены запрещённой зоной с шириной в несколько эВ.

Но если на затвор подать напряже­ние, которое приведёт к возникновению электрического поля там, где находит­ся УНТ, то её зонная диаграмма пере­страивается, она становится хорошим проводником . Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки и соответственно открывать или запи­рать транзистор.

Чем он может быть лучше кремниевого?

Во-первых, скорость работы УНТ- транзистора намного превосходит быс­тродействие кремниевых транзисторов. По некоторым оценкам, нанотрубка может работать на частоте в I ТГц, что в сотни раз быстрее, чем скорости сов­ременных компьютеров. В настоящее время уже созданы устройства на осно­ве нанотрубок, работающие на частотах до 30 ГГц, что на порядок больше так­товой частоты хорошего современного процессора. Это достигается за счёт высокой подвижности электронов в пан отрубках (в кремнии этот параметр составляет 1400 см2/В-с, а в нанотрубках – около 100 ООО смуВ-с).

Во-вторых, теоретический предел для миниатюризации кремниевых эле­

ментов составляет 12 нм. Для УНТ та­кого предела нет, размеры элементов на их основе могут достигать размеров молекулы. Уже созданы транзисторы размером 18×1 нм, которые, даже без существенной оптимизации техноло­гии их изготовления, по многим пара­метрам работают не хуже кремниевых, гораздо больших по размерам. И это не предел миниатюризации.

В-третьих, процесс производства транзисторов на основе УНТ может быть сделан значительно более простым, чем производство кремниевых элементов. Это возможно благодаря технологии пе­чати транзисторов краской, состоящей из углеродных нанотрубок, разрабаты­ваемой компанией NEC. В настоящий момент возможна печать транзистора целиком, включая электроды, слои изо­ляции и канаты из УНТ. Несомненным преимуществом создаваемой техноло­гии станет резкое снижение количества вредных веществ, поступающих в окру­жающую среду; например, выбросы уг­лекислого газа, но оценкам, могут быть уменьшены более чем на 90%.

Кроме того, возможен синтез Y-образных нанотрубок, которые сами по себе уже могут выполнять функции транзистора, без каких-либо дополни­тельных элементов. ПЭМ-фотография и схема подобного транзистора при­ведены на рис. 3. Для создания таких структур на готовую УНТ наносят на- ночастицы каталитически активного титана, которые выступают в роли точ­ки роста второй «ветви» на поверхнос­ти уже сформированной трубки. При приложении напряжения к «стволу» нанотрубки протекание электронов от одной ветви к другой прекращается. Как только восстанавливается нулевой потенциал «ствола» нанотранзистора, протекание тока через «ветви» возоб­новляется. Таким образом, подобная структура работает аналогично поле­вому транзистору. Поэтому из развет­влённых сетей нанотрубок возможно создание чипов для компьютеров, ко­торые будут отличаться сверхкомпак­тностью и сверхбольшой скоростью работы.

Очень может быть, что мы стоим на пороге настоящей технической револю­ции в обширной и важнейшей области вычислительных и телекоммуникаци­онных технологий.