Созданы транзисторы из нанотрубок, параметры которых лучше кремниевых

В течение многих лет ученые пытаются использовать уникальные свойства углеродных нанотрубок, крошечных цилиндров, углеродные стенки которых имеют одноатомную толщину, для изготовления миниатюрной и высокоэффективной электроники. Однако, несмотря на все попытки, транзисторы, изготовленные из нанотрубок, раньше проигрывали по всем параметрам традиционным транзисторам, изготовленным из кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов. И лишь недавно ученым из университета Висконсина-Мадисона (University of Wisconsin-Madison) впервые в истории удалось создать «нанотрубочные» транзисторы, которые по некоторым параметрам превосходят их кремниевые аналоги.

Транзисторы на основе углеродных нанотрубок были созданы группой, возглавляемой профессорами Майклом Арнольдом (Michael Arnold) и Падмой Гопалан (Padma Gopalan). Во время испытаний транзисторы смогли проводить через себя электрический ток, силой в 1.9 раза превосходящей силу тока, который способны проводить кремниевые транзисторы с аналогичной длиной канала, размерами и другими параметрами.

Согласно теоретическим расчетам, транзисторы из углеродных нанотрубок должны иметь набор характеристик, который минимум в пять раз превышает по всем показателям характеристики кремниевых транзисторов. Однако, для того, чтобы иметь возможность изготовления близких к идеальным транзисторов, требуются нанотрубки высокой степени чистоты, в которых отсутствуют нанотрубки, обладающие металлическими свойствами в силу дефектов их структуры. Ученым удалось решить эту проблему при помощи определенных полимерных материалов, которые выступили в роли фильтра, связавшего только металлические нанотрубки и оставив в фильтруемом растворе только нанотрубки, обладающие полупроводниковыми свойствами.

«Нам удалось подобрать особые условия, которые позволили нам избавиться от почти всех металлических нанотрубок. В результате мы получили раствор с концентрацией металлических нанотрубок меньше 0.01 процента» — рассказывает Майкл Арнольд.Кроме очистки раствора от ненужных нанотрубок, ученым удалось решить проблему точного размещения и выравнивания нанотрубок на основании. Это было сделано при помощи технологии самосборки и самовыравнивания (floating evaporative self-assembly), разработанной в университете Висконсина-Мадисона еще в 2014 году.

И последней решенной сложной проблемой стало обеспечение надежного электрического контакта углеродных нанотрубок с металлическими электродами будущих транзисторов. Это было сделано снова при помощи полимера, речь о котором шла немного выше. Этот полимер действовал как изолятор между нанотрубкой и металлическим электродом. После высокотемпературной обработки в микроволновой печи этот полимер распался, изолирующий слой исчез и между нанотрубкой и электродом образовался отличный электрический контакт.

В нынешнее время исследователи работали с кремниевыми подложками, размером 1 на 1 дюйм, а в ближайшее время они начнут адаптировать разработанные ими технологии и методы для работы с 300-мм промышленными подложками, что в будущем позволит наладить широкомасштабное производство первых нанотрубочных транзисторов, предназначенных для эффективных высокочастотных усилителей, которые можно будет использовать в мобильных телефонах. Параллельно с этим ученые будут продолжать работу над совершенствованием всех технологий, что позволит приблизить характеристики реальных транзисторов к идеальным характеристикам.