Chương 1 TỔNG QUAN 1. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO IC Năm 2009 dòng vi xử lý mới mang tên mã Clarkdale của Intel (có tên thương hiệu Core i3 và Core i5) ñược nhắc ñến rất nhiều. ðây chính là dòng sản phẩm ñầu tiên sản xuất trên dây chuyền công nghệ 32 nm của Intel vừa ñược ra mắt. Ngoài dòng sản phẩm này, Intel sẽ tiếp tục giới thiệu thêm nhiều CPU dựa trên nền tảng Westmere cũng sử dụng công nghệ 32 nm như Arrandale hay Gulftown.
Có thể nói, năm 2010 chính là thời ñiểm cho dây chuyền 32 nm cất cánh. Intel cho biết ñang lên kế hoạch ñẩy mạnh việc sản xuất chip 32 nm và tạm dừng phát triển một số dòng chip tích hợp dòng sản phẩm công nghệ 45 nm, với mục ñích vượt mặt ñối thủ AMD trong thời gian tới. 20nm 10nm 50nm 35nm 30nm SiGE S/D SiGE S/D 5nm Khuynh Khuynh Vật liệu cổng Dây nanô k-Cao hướng Silic hướng Silic Cổng kích Chất nền - Si S D S III-V FET G ống nanô Carbon Hình 1.1 Tiến trình giảm nhỏ kích thước của transistor Việc thu nhỏ kích thước của linh kiện CMOS và quá trình công nghệ sẽ trở nên khó khăn nhiều khi tiếp cận công nghiệp 16 nm. Sau thời kỳ của thu nhỏ kích -6- thước CMOS truyền thống này, các nhà chế tạo cần phải tiếp tục giảm kích thước của transistor bằng cách tích hợp các linh kiện ñiện tử nanô vào nền silic.
PHÂN LOẠI LINH KIỆN ðIỆN TỬ NANÔ Các nghiên cứu gần ñây ñã ñưa ra nhiều mô hình linh kiện thang nanômét có khả năng thay thế cho linh kiện CMOS trong thiết kế vi mạch như: ðiốt ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode, RTD), Transistor ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), Transistor trường ống Nanô Carbon (Carbon Nanotube Filed Effect Transistor, CNTFET), Transistor ñơn ñiện tử (Single Electron Transistor, SET), Transistor ñơn nguyên tử (Single Atom Transistor), Transistor spin (Spin Transistor, ST), Transistor sắt từ (Ferromagnetic Transistor, FT)… LINH KIỆN ðIỆN TỬ NANÔ Transitor ống nanô carbon Linh kiện ñiện tử nanô Linh kiện ñiện tử nanô (CNTFET) hiệu ứng lượng tử hiệu ứng spin Linh kiện ñiện tử nanô bán dẫn Linh kiện ñiện tử phân tử Chấm lượng tử (QD) Linh kiện ñiện tử nguyên tử Linh kiện ñường Linh kiện lai Transistor ñơn hầm cộng hưởng micro - nanô ñiện tử (SET) ðíôt ñường hầm Transistor ñường hầm cộng hưởng (RTD) cộng hưởng (RTT) Hình 1. Phân loại linh kiện ñiện tử nanô Tất cả các linh kiện này ñều hoạt ñộng dựa trên các hiệu ứng xuất hiện ở thang nanômét dưới sự chi phối của cơ học lượng tử. ðặc ñiểm chung của các linh -7- kiện này là hình thành một “ñảo” nhỏ, trong ñó ñiện tử có thể bị giữ lại. ðảo này có vai trò tương tự như một kênh dẫn trong MOSFET.
Transistor trường ống nanô là một trong các ứng cử viên ñầy hứa hẹn có thể thay thế các transistor trường MOSFET trong tương lai vì những tính chất hấp dẫn của chúng như: kích thước nhỏ, ít tiêu hao năng lượng, tải ñược dòng lớn, khả năng ñáp ứng tần số tốt và mật ñộ tích hợp cao. NGHIÊN CỨU VỀ TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON Các linh kiện sử dụng ống nanô carbon (Carbon nanotube, CNT) trong nhiều năm qua ñã ñược nghiên cứu, mô phỏng và một số ñã ñược chế tạo trên thế giới. CNTFET là một hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thu hút ñược sự chú ý hiện nay vì khả năng chế tạo ra chúng nhờ các công nghệ chế tạo vi mạch hiện hành. CNTFET phẳng có cực cổng sau ñược giới thiệu ñầu tiên vào năm 1998 bởi Tans [35].
Wind [28] giới thiệu cấu trúc CNTFET phẳng cổng trên, cấu trúc này cho khả năng ñiều khiển tốt hơn CNTFET cổng sau. Thời gian gần ñây, nhiều nhóm nghiên cứu ñã tập trung vào việc xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát ảnh hưởng của các tham số lên họ ñặc trưng của CNTFET ñồng trục. Vì cấu trúc này cho khả năng ñiều khiển rất tốt, dòng ñiện ñáp ứng của linh kiện loại này rất cao. Tỷ lệ dòng ON/OFF của CNTFET cổng sau nằm trong khoảng 11500 ñến 17000 [24].
Tần số ñáp ứng của CNTFET ñược báo cáo vào năm 2009 ñạt ñến 26 GHz [36]. Năm 2003, Hoenlein ñã ñề xuất cấu trúc CNTFET ñồng trục thẳng ñứng như hình 3a. Cấu trúc này sử dụng ống CNT ñơn tường có ñường kính 1 nm, chiều dài 10 nm làm kênh dẫn kết nối giữa ñiện cực nguồn và ñiện cực máng bằng kim loại. Lớp oxit ñiện môi bao quanh ống CNT có ñộ dày 1 nm, ñiện cực cổng bao quanh lớp oxit cách ñiện này.
Với cấu trúc này tác giả ñề xuất cách kết nối các transistor trong chip như hình 3b, và dự báo tần số ñáp ứng của CNTFET cỡ THz và mật ñộ tích hợp lên ñến 1012 transistor trên cm2. Cấu trúc CNTFET thẳng ñứng [11] Năm 2006, Leonardo ñã xây dựng mô hình CNTFET ñồng trục, sử dụng phương trình Schrodinger ñể tính toán số lượng ñiện tử và lỗ trống chạy qua kênh dẫn, sau ñó dùng phương trình Landauer ñể tính dòng ñiện chạy qua CNTFET ñồng trục. Tác giả này ñã tính toán mô phỏng ñược ñặc trưng I-V của CNTFET khi thay ñổi các giá trị ñiện áp cổng, dòng ñiện máng bão hòa tăng khi tăng giá trị ñiện áp cổng. Tuy nhiên các ñường ñặc trưng này có ñộ dốc rất thấp, ñiều này cho thấy ñộ dẫn của CNTFET trong cấu trúc này chưa cao [22].
Mô hình và ñặc trưng I-V của CNTFET ñồng trục [22] Năm 2007, Siyuranga O. Koswatta và các cộng sự ñã tính toán mô phỏng ñặc trưng của CNTFET ñồng trục có xét ñến ảnh hưởng của tán xạ -9- phonon sử dụng phương pháp hàm Green không cân bằng (NEGF) [30]. Nhóm tác giả này ñã sử dụng các ống nanô carbon ñơn tường (16,0), (19,0), (22,0) làm kênh dẫn. Chiều dài kênh dẫn ñược khảo sát là 20 nm, sử dụng HfO2 (k = 16) làm vật liệu ñiện môi và có bề dày lớp ôxit cổng 2 nm.
Kết quả mô phỏng cho thấy với ñiện áp cổng VG = 0,6 V dòng ñiện bão hòa có xét ñến tán xạ phonon quang (OP) thấp hơn khoảng 9% so với dòng chuyển dời ñạn ñạo (Ballistic) và dòng ñiện bão hòa có xét ñến tán xạ phonon âm (AP) thấp hơn khoảng 7% so với dòng chuyển dời ñạn ñạo. Cấu trúc và ñặc trưng của CNTFET ñồng trục có xét ñến tán xạ [30] Năm 2009, Rasmita Sahoo and R. Mishra cũng ñã mô phỏng họ ñặc trưng I-V của CNTEFT ñồng trục khi thay ñổi ñường kính ống CNT. Nhóm tác giả này ñã sử dụng phần mềm mô phỏng của NanoHub ñể vẽ ñặc trưng I-V của CNTFET ñồng trục với ñường kính thay ñổi từ 2 nm ñến 5 nm.
Kết quả mô phỏng cho thấy khi ñường kính tăng dòng ñiện Id bão hòa cũng tăng theo [27]. Nhóm tác giả này cũng ñã tính toán và cho kết quả là ñộ dẫn của CNTFET cao hơn khoảng 4 lần so với Si-MOSFET và tần số ñáp ứng cao gấp ñôi so với Si- MOSFET. Khảo sát ảnh hưởng của ñường kính ống CNT lên ñặc trưng I-V của CNTFET ñồng trục [27] Năm 2010, Zoheir Kordrostami ñã ñưa ra mô hình tương ñương tín hiệu nhỏ của CNTFET ñồng trục và xây dựng biểu thức tính tần số cắt của linh kiện này như sau: 1 1 gd = ( R S + R D ) C gd + ( C g + C gs + C gd ) + ( R S + R D )( C g + C gs + C gd ) (1.1) 2π fT gm gm Hình 1. Mô hình CNTFET ñồng trục và mô hình tương ñương tín hiệu nhỏ [39] Tần số cắt ñược tính gần ñúng như sau: - 11 - 1 gm fT = (1.2) 2π C g + C gs + C gd Thông thường các tụ ký sinh Cgs và Cgd có giá trị rất nhỏ so với Cg nên có thể cho bằng không, khi ñó tần số cắt sẽ là: 1 gm fT = (1.
NHẬN XÉT Kích thước của linh kiện CMOS liên tục ñược thu nhỏ từ năm 2003 (90 nm), năm 2005 (65 nm), năm 2007 (45 nm), năm 2009 (32 nm) tuân theo ñịnh luật Moore tính từ năm 1972. Mật ñộ transistor trên chip tăng gấp ñôi sau mười tám tháng ñến hai năm. Theo tiên ñoán của các nhà khoa học và công nghệ ñến khoảng năm 2020, kích thước của transistor trên chip ñạt tới giới hạn vật lý (10 nm) và số transitor trên chip khi ñó ñạt tới 1012 trên một cm2. Việc tìm kiếm một linh kiện có tính chất bứt phá ñể vượt qua giới hạn này ñang ñược các nhà nghiên cứu về khoa học và công nghệ rất quan tâm.
Những công trình nghiên cứu chế tạo CNTFET phẳng gần ñây, bao gồm CNTFET cổng sau và CNTFET cổng trên dựa trên công nghệ chế tạo IC tiên tiến hiện nay. Các CNTFET ñồng trục ñược xây dựng dựa trên cấu trúc của MOSFET cực cổng bao quanh cũng như MOSFET có nhiều cổng hay là FinEFET [40, tr 117]. Tuy nhiên công nghệ chế tạo CNTFET ñồng trục vẫn là một thách thức lớn ñối với các nhà nghiên cứu. Các công trình nghiên cứu về CNTFET ñồng trục cho ñến nay chỉ dừng lại ở khảo sát ñặc tính Id-Vds trong kênh dẫn dài ( Lch > 20 nm) mà chưa xét ñến ñặc trưng của linh kiện này khi chiều dài kênh dẫn giảm xuống dưới 20 nm.
Trong luận án này, tác giả sẽ việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt ñộ, vật liệu ñiện môi, kim loại dùng làm ñiện cực nguồn- máng, kích thước ống nanô carbon lên ñặc trưng của CNTFET ñồng trục có ý nghĩa rất quan trọng trong việc ñánh giá khả năng ñáp ứng của CNTFET và ñịnh hướng cho công nghệ chế tạo CNTFET trong tương lai. - 12 - Chương 2 TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON 2. ỐNG NANÔ CARBON 2. Giới thiệu: Ống nanô carbon (Carbon Nanotube, CNT) hiện ñược coi là vật liệu mới, báo hiệu cho thời ñại của ngành công nghệ nanô.
CNT ñược phát hiện ñầu tiên vào năm 1991 bởi S. Iijima và từ ñó chúng ñược sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như ngành ñiện tử nanô, chế tạo ô tô, công nghiệp may mặc và trong cả ngành công nghiệp dược. ðây không chỉ là do những tính chất ñiện ñầy hứa hẹn của CNT mà còn bởi vì chúng ñược xem là vật liệu bền vững nhất về cơ học từng biết ñến và rất ổn ñịnh về tính chất hóa học. Có thể hình dung CNT từ lá graphen cắt ra, cuộn tròn và dán lại thành ống rỗng có ñường kính của ống ở dải nanômet.
Những tính chất ñặc biệt của CNT [6]: 1. CNT có thể mang tính chất kim loại, bán dẫn hay cách ñiện phụ thuộc vào chiều dài, ñường kính và cấu trúc mạng của ống.