Avances en CNT en escalado e integración de transistores allanan camino a chips de próxima generación

Los nanotubos de carbono (CNTs) son atractivos para el sector semiconductor porque entregan conductividad eléctrica excepcional siendo solo 1 nm de grueso —mucho más delgados que el silicio. A pesar de esta promesa, chips basados en CNTs están ausentes de dispositivos principales. Los obstáculos permanecen en integración a gran escala y escalabilidad de transistores. Artículos recientes que co-autoramos en Science y Nature Nanotechnology presentan soluciones prometedoras a ambos desafíos.

Logro de huella punta la nanoescala

El escalado es el primer obstáculo. Dispositivos FinFET de silicio tridimensionales se acercan a su techo de potencia y rendimiento en longitud de compuerta de 7 nm. Incluso los últimos transistores nanosheet de silicio de 5 nm, aunque entregan mayor densidad y velocidad, eventualmente alcanzarán sus propios límites.

En nuestro artículo en Science, "Carbon nanotube transistors scaled to a 40‑nanometer footprint," demostramos un transistor CNT completo que cumple el objetivo ITRS de huella de 40 nm —un referente inalterado desde 2015. Por comparación, los dispositivos comerciales más avanzados de 14 nm ocupan aproximadamente 90 nm de área de chip.

El grosor intrínseco de 1,2 nm de los CNTs permite longitudes de compuerta tan cortas como 10 nm, entregando control electrostático superior y fugas reducidas. Además, la movilidad de portadores en CNTs supera a la del silicio, impulsando velocidad general del dispositivo.

Sin embargo, integrar CNTs con su source y drain requirió una estrategia de contacto novedosa. Contactos end-bonded previos demandaban temperaturas de procesamiento cerca de 850 °C, prohibiendo longitudes de canal bajo 60–100 nm. Reemplazando el material de cableado con una aleación cobalto-molibdeno, redujimos el presupuesto térmico a 650 °C, permitiendo espaciados de canal de 10 nm.

El autor principal Dr. Qing Cao y colegas confirmaron que, dentro de esta huella de 40 nm, los transistores CNT igualan o superan métricas de rendimiento de dispositivos de silicio contemporáneos.

Elementos CNT se unen en oscilador en anillo

Demostrar que un solo transistor altamente escalado es factible —a pesar de proceso no ideal— impulsó nuestra búsqueda de integración CNT integral. En los últimos cinco años, hemos refinado técnicas para clasificar CNTs semiconductores, guiar su auto-ensamblaje a través de wafers, y producir robustos FETs de canal-n CNT que resisten degradación por oxidación metálica.

En tecnologías disruptivas en etapa temprana, soluciones para un problema pueden comprometer inadvertidamente otros componentes de dispositivo o circuito. Este trade-off ha limitado históricamente demostraciones de nanotecnología —incluyendo CNTs— a bajos niveles de integración, generando preocupaciones sobre su viabilidad práctica.

Nuestro artículo en Nature Nanotechnology, "High‑speed logic integrated circuits with solution‑processed self‑assembled carbon nanotubes," demuestra un avance: ensamblar todos los componentes necesarios en un oscilador en anillo CMOS totalmente funcional, referente ampliamente usado para tecnologías lógicas.

El Dr. Jianshi Tang y colaboradores fusionaron nuestras técnicas establecidas de purificación y colocación —visualizadas como CNTs 'penne-pasta' aislados en solución— con una adición pivotal: un óxido de pared lateral que protege el canal n-FET durante toda la fabricación. Esta modificación triplicó el rendimiento, asegurando que cada elemento del oscilador en anillo opere fiablemente.

El oscilador en anillo CMOS de 5 etapas descrito —operando al estándar industrial de 1 V— alcanza frecuencia de conmutación de etapa de 2,8 GHz (355 ps) a pesar de densidad CNT modesta (solo seis CNTs visibles en el canal). Esto marca la primera demostración de nanotecnología en superar el umbral de 1 GHz. Extrapolando a densidad CNT superando 100 CNTs µm⁻¹ con dispositivos apropiadamente escalados, proyectamos retardos de etapa sub-picosegundo, superando ampliamente la tecnología de silicio actual.

Como escribimos en el artículo:

Desde que los osciladores en anillo CMOS reflejan directamente la madurez de la tecnología, es prueba largamente esperada de que los importantes problemas de transicionar este material prometedor a una tecnología real están siendo resueltos vigorosamente.