6.2.6. Электронные элементы на основе нанотрубок
Углеродные нанотрубки представляют собой однослойные или многослойные полые наноскопические цилиндры диаметром от 0,5 нм из свернутых графитовых плоскостей /3/.
Нанотрубки обладают рядом важных для электроники свойств, они могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Электронные свойства нанотрубок определяются их структурой.
Зависимость электронных свойств от структуры позволяет формировать на индивидуальной нанотрубке p-n- и гетеропереходы, т. е. создавать активные элементы ИМС. Например, если в атомную сетку нанотрубки, состоящую из 6-угольных ячеек, внедрить дефекты в виде 5- и 7-угольных ячеек, расположенных на противоположных концах диаметра, то нанотрубка изогнется (рис. 6.16, а).
Вольт-амперная характеристика изогнутой нанотрубки нелинейна (рис. 6.16, б). Верхняя прямолинейная часть нанотрубки (до изгиба) имеет металлическую проводимость; ее вольт-амперная характеристика линейна (см. врезку на рис. 6.16, б). Проводимость нижней и верхней частей изогнутой нанотрубки становится различной вследствие различия ориентации сеток ячеек относительно оси трубки. Так можно получить трубки с полупроводниковой и металлической частями. Подобная нанотрубка работает, как выпрямляющий диод (диод Шоттки). Нанотрубки У-образной формы также пропускают ток только в одном направлении, что обусловлено дефектностью структуры в месте соединения зубцов. Гетеропереходы полупроводник-полупроводник можно получить соединением нанотрубок разного диаметра.
а б
Рис. 6.16. Схема изогнутой нанотрубки (а); вольт-амперная характеристика перехода,возникшего на изгибе нанотрубки (б); на врезке приведена ВАХ (вольт амперная характеристика) верхней прямолинейной части нанотрубки
Эксперименты показали, что у нанотрубок есть еще одно полезное для применения в электронике свойство. В структуре полевого транзистора (исток-затвор-сток) с полупроводниковой нанотрубкой в роли канала можно уменьшать проводимость нанотрубки с помощью электрического поля затвора на 6 порядков, то есть фактически превращать нанотрубку в диэлектрик. В этой же структуре можно переводить проводимость нанотрубки из p- типа в n- тип посредством отжига. Так создаются p- и n- полевые транзисторы, а следовательно, и комплементарные МДП структуры (КМДП), являющиеся основой логических элементов интегральных микросхем.
В полупроводниковых наноструктурах можно изменять тип проводимости с помощью легирования. При помощи тока в канале вдоль нанотрубки можно управлять поперечным электрическим полем, т.е. на индивидуальных нанотрубках можно создавать аналоги n- и p- полевых транзисторов, которые служат основой современных ИМС. На индивидуальных нанотрубках можно формировать p-n- переходы. Есть способы создания гетеропереходов полупроводник-полупроводник (соединение нанотрубок различного диаметра), а также металл-полупроводник (изгибание нанотрубки, частичное заполнение трубки металлом или химическая модификация ее фрагментов). Необходимым условием использования нанотрубок в ИМС является возможность монтировать нанотрубки в заданные архитектуры, помещая их в требуемые положения с необходимой ориентацией. С этой целью отработаны методы ориентированного осаждения нанотрубок из газовой фазы как в плоскости подложки, так и перпендикулярно к ней. Примеры контролируемого роста нанотрубок на подложках кремния показаны на рис. 6.17, а, б.
Еще одно достоинство углеродной электроники - радиационная стойкость.
Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке. Схема транзистора на индивидуальной нанотрубке показана на рис. 6.18. На этом рисунке: 1 и 2 - титановые исток и сток, 3 - однослойная нанотрубка (канал), 4 - затвор из алюминия или титана. При кратковременном отжиге (T= 850°С) между нанотрубкой и титановыми контактами образуется пленка соединения TiC, улучшающая контактное сопротивление. Толщина подзатворного слоя SiO2 ~ 15 нм, что позволяет использовать напряжение на затворе ~1 В, т. е. того же уровня, что и в современных полевых транзисторах на кремнии. Значительное улучшение характеристик дает использование в качестве подзатворного диэлектрика ZrO2 (диэлектрическая проницаемость ε~ 25). Подача напряжения на затвор изменяет проводимость нанотрубки в 105-106 раз, поэтому данный транзистор может работать как переключатель.
Рис. 6.17. Распределение нанотрубок на подложке кремния, покрытой островками SiO2 (а); нанотрубки между полосками кремния, покрытыми катализатором, полученные в присутствии поля, перпендикулярного полоскам (б)
Крутизна вольт-амперной характеристики транзистора - показатель быстроты реакции тока в канале на изменение поля затвора. Эта величина для транзисторов на нанотрубках в несколько раз больше, чем для кремниевых. Быстродействие прибора зависит также от его проводимости; проводимость транзисторов на углеродных нанотрубках более чем вдвое превосходит проводимость кремниевых транзисторов того же размера /2/.
Логические элементы. Логические элементы на нанотрубках пока находятся в стадии разработки. Как известно, основной элемент логических схем - комплементарные МДП – транзисторы в которых соединяются МДП - транзисторы с n- и p- каналами.
Рис. 6.18. Схема поперечного сечения транзистора на нанотрубке
На рис. 6.19 показана схема комплементарного транзистора, выполненного на одной нанотрубке. На кремниевую подложку, покрытую слоем SiO2 (толщиной порядка нескольких нанометров), нанесены три золотых электрода 1,2,3. На электродах расположена нанотрубка 4 с раздельными областями p- и n-типа; n- область получена напылением металла-донора при закрытой левой половине нанотрубки. Таким образом, на одной нанотрубке объединены p- и n- полевые транзисторы. Электрод 2 - общий сток, электроды 1 и 3 - истоки для p- и n- областей, общим затвором служит пластина кремния. Так как на контактах трубок с металлическими электродами возникают барьеры Шоттки, то p- транзистор оказывается открытым, когда на затворе «-», а n- транзистор открыт, когда на затворе « + ». Разрабатываются структуры, для которых возможна интеграция на одном чипе многих полевых транзисторов на нанотрубках.
Рис. 6.19. Схема комплементарного транзистора на нанотрубке