Transistorens ydeevne forbedres på grund af kvanteindeslutningseffekter

(PhysOrg.com) - Produktion på nanoskala er nået langt siden Feynmans visioner om nanoteknologi for mere end 50 år siden. Siden da, undersøgelser har vist, hvordan lavdimensionelle strukturer, såsom nanotråde og kvantepunkter, har unikke egenskaber, der kan forbedre ydeevnen på en række forskellige enheder. I den seneste undersøgelse på dette område, forskere har fremstillet transistorer fremstillet med usædvanligt tynde silicium nanotråde, der udviser høj ydeevne på grund af kvanteindeslutningseffekter i nanotråde.

Forskerteamet, Krutarth Trivedi, Hyungsang Yuk, Herman Carlo Floresca, Moon J. Kim, og Walter Hu, fra University of Texas i Dallas, har offentliggjort deres undersøgelse i en nylig udgave af Nano bogstaver .

I deres undersøgelse, forskerne litografisk fremstillede silicium-nanotråde med diametre på kun 3-5 nanometer. Med en så lille diameter, nanotrådene oplever kvanteindeslutningseffekter, der får nanotrådenes egenskaber til at ændre sig fra deres bulkværdier. Specifikt, transistorer fremstillet med de tynde nanotråde har forbedret hulmobilitet, kørestrøm, og strømtæthed - egenskaber, der får transistorerne til at fungere hurtigere og mere effektivt. Transistorenes ydeevne overgår endda for nylig rapporterede silicium -nanotrådstransistorer, der bruger doping til at forbedre deres ydeevne.

"Betydningen af ​​denne forskning er, at vi har demonstreret, at øget grad af kvanteindeslutning af siliciumkanalen resulterer i øget bærermobilitet, ”Fortalte Hu PhysOrg.com . "Vi leverer eksperimentelt bevis på den teoretisk simulerede højhulsmobilitet på omkring 3 nm-nanotråde."

I starten det kan virke kontraintuitivt, at en mindre ledning kan have en højere mobilitet end en større ledning. Men som forskerne forklarer, kvanteindeslutningseffekter øger bærermobilitet i tråden ved at begrænse hullerne (som bidrager til strømmen) til et mere ensartet energiområde end de har i bulk silicium. Der henviser til, at i bulk silicium, huller med en bred energifordeling bidrager til strømmen, i de små nanotråde, hullernes energi har en meget snævrere fordeling. Har huller med lignende energi, og derfor masse, reducerer spredningseffekter af bærere i nanotråde, hvilket igen forbedrer mobiliteten og strømtætheden. Ved at sammenligne ydelsen af ​​bittesmå nanotråde med lignende fremstillede nanobælter, hvor kun tykkelsesdimensionen er begrænset, forskerne viser også, at øget grad af kvanteindeslutning af kanalen resulterer i højere mobilitet.

Som forskerne bemærker, fremstilling af de højtydende sub-5-nanometer silicium nanotrådstransistorer er relativt enkel i forhold til andre metoder til fremstilling af nanotråd, som anvender bottom-up-metoder og dopede kryds eller kanaldoping. En applikation, som forskerne planlægger at forfølge, er at bruge nanotråde til at lave billige, ultrasensitive biosensorer, da biosensorsensitivitet stiger, når nanotrådens diameter falder.

“Som krævet af vores finansiering (NSF Career Award), vores umiddelbare plan er at undersøge biosensering af protein med disse typer små nanotrådstransistorer, ”Sagde Hu. "Vi mener, at sådanne nanotråde med lille diameter med iboende høj ydeevne kan have stor indflydelse på biosensing, da de forventes at give ultimativ følsomhed ned til et enkelt molekyle med et bedre signal-støjforhold. ”

Ud over biosensing, de nye højtydende transistorer kan have indflydelse på CMOS-skalering, som bliver stadig sværere. Forskerne leder i øjeblikket efter finansiering for at udforske dette område.

"Disse transistorer kan have indflydelse på CMOS -skalering på grund af det faktum, at ydeevnen faktisk stiger med faldende diameter, ”Sagde Hu. “Arrays af nanotrådstransistorer med små nanotråde kunne laves for at opnå høj ydeevne uden at kræve nye behandlingsteknikker. Faktisk, behandlingen kan endda forenkles i forhold til nuværende teknikker, da vores nanotrådstransistorer ikke bruger stærkt dopede komplementære kryds til kilde/afløb; eliminering af højt dopede kryds afhjælper mange af de aktuelle problemer med at nedskalere CMOS -behandlingsteknikker til nanoskalaen.

"I det store hele, mit personlige synspunkt er, at silicium stadig har et stort potentiale for nanoelektronik, og industrien vil måske overveje at støtte forskning inden for silicium nanotråd eller kvantetrådsenheder og nye arkitekturer for fuldt ud at frigøre siliciumets potentiale. Alle forsker i grafen, hvilket selvfølgelig er et godt materiale, men vi vil måske ikke ignorere siliciumets potentiale, da vi viser, at effektiv hulmobilitet kan være over 1200. ”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.