Ultratyndt alternativ til silicium til fremtidens elektronik

Der er gode nyheder i søgen efter den næste generation af halvledere. Forskere ved U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California Berkeley, har med succes integreret ultratynde lag af halvlederindiumarsenid på et siliciumsubstrat for at skabe en nanoskala-transistor med fremragende elektroniske egenskaber. Medlem af III -V -familien af ​​halvledere, indiumarsenid tilbyder flere fordele som et alternativ til silicium, herunder overlegen elektronmobilitet og hastighed, hvilket gør den til en kandidat til fremtidig laveffekt, elektroniske højhastighedsanordninger.

"Vi har vist en enkel vej for den heterogene integration af indiumarsenidlag ned til en tykkelse på 10 nanometer på siliciumsubstrater, "siger Ali Javey, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og en professor i elektroteknik og datalogi ved UC Berkeley, der ledede denne forskning.

"De enheder, vi efterfølgende fremstillede, viste sig at fungere nær de forventede ydelsesgrænser for III-V-enheder med minimal lækstrøm. Vores enheder udviste også overlegen ydeevne med hensyn til strømtæthed og transkonduktans sammenlignet med siliciumtransistorer af lignende dimensioner."

For alle sine vidunderlige elektroniske egenskaber, silicium har begrænsninger, der har foranlediget en intens søgning efter alternative halvledere, der skal bruges i fremtidige enheder. Javey og hans forskningsgruppe har fokuseret på sammensatte III – V halvledere, som har fremragende elektrontransport egenskaber. Udfordringen har været at finde en måde at tilslutte disse sammensatte halvledere til det veletablerede, billig behandlingsteknologi, der bruges til at producere nutidens siliciumbaserede enheder. I betragtning af den store gitterfejl mellem silicium og III-V-sammensatte halvledere, direkte hetero-epitaksial vækst af III-V på siliciumsubstrater er udfordrende og kompleks, og resulterer ofte i en høj mængde defekter.

"Vi har demonstreret, hvad vi kalder et 'XOI, 'eller sammensat halvleder-på-isolator teknologi platform, det er parallelt med nutidens 'SOI, 'eller silicium-på-isolatorplatform, "siger Javey." Ved hjælp af en epitaksial overførselsmetode, vi overførte ultratynde lag af enkeltkrystalindium-arsenid på silicium/silica-substrater, derefter fremstillede enheder ved hjælp af konventionelle behandlingsteknikker for at karakterisere XOI -materialet og enhedens egenskaber. "

Resultaterne af denne forskning er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur, i et papir med titlen, "Ultratynd halvleder på isolatorlag til højtydende nanoskala transistorer." Medforfatter af rapporten med Javey var Hyunhyub Ko, Kuniharu Takei, Rehan Kapadia, Steven Chuang, Hui Fang, Paul Leu, Kartik Ganapathi, Elena Plis, Ha Sul Kim, Szu-Ying Chen, Morten Madsen, Alexandra Ford, Yu-Lun Chueh, Sanjay Krishna og Sayeef Salahuddin.

For at lave deres XOI -platforme, Javey og hans samarbejdspartnere voksede tyndfilm af enkeltkrystalindiumarsenid (10 til 100 nanometer tykke) på et foreløbigt kildesubstrat, hvorefter de litografisk mønstrede filmene til ordnede arrays af nanoribbons. Efter at være blevet fjernet fra kildesubstratet gennem en selektiv våd-ætsning af et underliggende offerlag, nanoribbon -arrays blev overført til silicium/silica -substratet via en stemplingsproces.

Javey tilskrev XOI -transistorernes fremragende elektroniske ydeevne til de små dimensioner af det aktive "X" -lag og den kritiske rolle, som kvanteindeslutning spillede, som tjente til at justere materialets båndstruktur og transportegenskaber. Selvom han og hans gruppe kun brugte indiumarsenid som deres sammensatte halvleder, teknologien bør også let rumme andre sammensatte III/V -halvledere.

"Fremtidig forskning om skalerbarheden af ​​vores proces til 8-tommer og 12-tommer wafer-behandling er nødvendig, "Sagde Javey.

"Fremadrettet tror vi på, at XOI -substraterne kan opnås gennem en waferbindingsproces, men vores teknik skulle gøre det muligt at fremstille både p- og n-type transistorer på den samme chip til komplementær elektronik baseret på optimale III – V halvledere.

"Desuden, dette koncept kan bruges til direkte at integrere højtydende fotodioder, lasere, og lysemitterende dioder på konventionelle siliciumsubstrater. Unikt, denne teknik kunne sætte os i stand til at studere de uorganiske halvlederes grundlæggende materialegenskaber, når tykkelsen skaleres ned til kun et par atomlag. "