Все новости от 30 мая 2005 г.

Нанодиоды и нанотранзисторы

Как известно, нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру толщиной в несколько атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами. Например, если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута — полупроводником. Транзисторы, построенные на базе таких нанотрубок, в сотни раз меньше тех, что содержатся в современных микросхемах. Как известно, начиная с 2001 г., когда IBM представила первый одноэлектронный транзистор (Carbon Nanotube Field-Effect Transistors, СNFET), создано несколько различных вариантов подобных устройств. По мнению специалистов из IBM Research, в идеале нанотрубкой в таком транзисторе будет заменяться только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений. Одна из особенностей нанотранзистора заключается в улучшенной емкостной связи между нанотрубкой и затвором, усиливающей донорство как электронов, так и дырок, а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие расстояния.

Рис. 1. MEMS-память Millipede

Чуть позже ученым подразделения IBM Research удалось получить углеродную мономолекулярную структуру в виде нанотрубки, которая полностью реализует один из трех основных логических элементов — элемент логического отрицания НЕ, преобразующий двоичную единицу в ноль и наоборот. При этом еще одна особенность созданного элемента заключалась в том, что выходной сигнал у него выше, чем входной, приблизительно в полтора раза. Затем исследователи сконструировали на основе новых устройств инвертор, логическое ИЛИ — НЕ, а также триггер и мультивибратор.

Кроме того, в IBM Research разработана технология получения массивов углеродных нанотрубок. До той поры не удавалось найти потенциально дешевый способ изготовления массивов на их основе. Все упиралось в то, что любой синтетический процесс предполагал задействование металлических нанотрубок, влияние которых очень сложно было устранить (они “портили” полупроводниковые свойства массива). Специалисты компании нашли относительно простой способ нейтрализации металлических нанотрубок в массиве, оставляющий неповрежденными углеродные трубки. Он получил название “конструктивной деструкции” (constructive destruction). Суть метода заключается в следующем. Массив “волокон” из металлических и полупроводящих нанотрубок (своеобразная заготовка) размещается на кремниевой пластине, верхняя поверхность которой образована слоем оксида кремния. После этого методом литографии на пластину наносятся электроды. В дальнейшем им отводится роль электродов транзистора — затвора, стока и истока. Здесь же необходимо отметить, что нижний, кремниевый слой пластины тоже служит электродом, позволяющим сделать углеродные трубки токонепроводящими. После подобного блокирования углеродных нанотрубок между стоком и истоком подается высокое напряжение, из-за чего металлические трубки разрушаются. В результате такой процедуры остаются только полупроводящие трубки, формирующие массив транзисторов с заданными свойствами, который можно использовать для построения логических схем.

Сотрудникам исследовательского подразделения General Electric (GE, www.ge.com) удалось получить уникальное полупроводниковое устройство на основе углеродных нанотрубок. Дело в том, что изобретение инженеров GE может работать как в качестве диода (именно на этом варианте акцентируется основное внимание специалистов), так и в качестве транзистора. При этом нанодиод является одним из самых миниатюрных, если не самым миниатюрным за всю историю полупроводниковым устройством. Он выполнен по обычной схеме путем соединения двух полупроводников: одного с электронной, а другого — с дырочной проводимостью. В случае традиционных полупроводников на базе кремния тип проводимости задается с помощью примесей, создающих избыток или недостаток электронов в структуре вещества. Но если процесс дозирования примесями кремния давно отработан, то ввести примеси в углеродные нанотрубки еще никому не удавалось. Поэтому исследователи пошли другим путем и решили создавать избыток или недостаток электронов в нанотрубках с помощью электрического поля. Для этого в нанодиод был введен миниатюрный электрод с разделенным на две части затвором. Два расположенных в одной плоскости затвора соединяются с двумя половинами нанотрубки. Таким образом получается устройство, похожее на обычный полевой транзистор, где затвор также разделен на две независимые части. Чтобы полученная система функционировала как нанодиод, необходимо подавать на один затвор положительное напряжение, а на другой — отрицательное. В результате такой операции появится p-n-переход, необходимый для работы диода. Если же подавать на затворы одинаковое (только положительное или только отрицательное) напряжение, получится нанотранзистор, работающий по схеме p-n-p или n-p-n, в зависимости от знака приложенного напряжения.

Рис. 2. В ячейке NRAM записана “1”

Рис. 3. В ячейке NRAM записан “0”