Silicium nanotråde under ekstrem trækbelastning kan føre til mere effektive transistorer

At strække et lag silicium kan opbygge indre mekaniske belastninger, som kan forbedre dets elektroniske egenskaber betydeligt. Med anspændt silicium, man kan, for eksempel, bygge hurtigere og mindre strømforbrugende mikroprocessorer.

Forskere ved Paul Scherrer Instituttet og ETH Zürich har udviklet en metode, som giver dem mulighed for at fremstille 30 nanometer tykke stærkt belastede ledninger i et siliciumlag. Denne belastning er den højeste, der nogensinde er blevet observeret i et materiale, der kan tjene som grundlag for elektroniske komponenter. Målet er at producere højtydende og laveffekttransistorer til mikroprocessorer baseret på sådanne ledninger. Som udgangspunkt metoden bruger et substrat med et siliciumlag, der allerede er under lav belastning. Ved selektivt at bortætse det omgivende materiale, der produceres en tynd tråd i siliciumlaget, der hænger som en lille bro over en kløft, med den højeste stamme koncentreret på det smalleste sted. Forskerne rapporterer deres resultater i det seneste nummer af online-tidsskriftet Naturkommunikation .

Der er begrænsede muligheder for at øge effektiviteten af ​​mikroprocessorer baseret på siliciumteknologi ved at formindske størrelsen af ​​individuelle bygningselementer. Men der er andre lovende måder, som allerede i et vist omfang anvendes af industrien, såsom at strække eller komprimere silicium, derved skabes mekanisk spænding, der er med til at forbedre materialets elektroniske egenskaber. For eksempel, spænding i den rigtige retning øger mobiliteten af ​​elektroner betydeligt, hvilket gør transistorer meget hurtigere til at skifte elementer. "Der er faktisk ingen magi bag at opbygge spændinger i en wire - du skal bare trække kraftigt i begge ender", forklarer Hans Sigg fra Laboratoriet for Mikro- og Nanoteknologi på Paul Scherrer Instituttet. "Udfordringen er at implementere sådan en ledning i en stresset tilstand i en elektronisk komponent."

30 nm bred Silicon Bridge

Forskere ved Paul Scherrer Instituttet har nu udviklet en metode til at skabe siliciumtråde, som er tæt forbundet med deres omgivende materiale og er under en spænding, der er mere end dobbelt så høj som den, der bruges i nutidige komponenter. Som det indledende materiale, de har brugt et industrielt fremstillet substrat med et let belastet siliciumlag fastgjort på et nedgravet siliciumoxidlag. "Det var vigtigt for os at vise, at vores metode er kompatibel med industriens fremstillingsmetoder og materialer", siger Hans Sigg. "Du kan forestille dig, at materialet trækkes i alle retninger, før det fastgøres til oxidunderlaget", forklarer Renato Minamisawa fra Paul Scherrer Institute, som udførte eksperimenterne sammen med Martin Süess fra ETH Zürich. "Substratet holder så laget på plads, så det ikke kan trække sig sammen længere."

I processen, smart udvalgte dele af siliciumlaget og oxidunderlaget fjernes af de respektive ætsemidler, at skabe en tynd tråd af siliciumlaget – 30 nanometer bred og 15 nanometer tyk – som kun er fastgjort til resten af ​​materialet ved dets endepunkter. Metoden er eksemplarisk for den moderne nanoteknologis muligheder. På denne måde tusindvis af sådanne ledninger kan fremstilles nøjagtigt i en veldefineret stresset tilstand. Metoden er derfor meget pålidelig. "Og det er endda skalerbart, hvilket betyder, at ledningerne kan fremstilles så små, du vil", Sigg påpeger.

Hurtigere transistorer gennem høje spændinger

"Da al den kraft, der blev fordelt over et større område før ætsningen nu skal koncentreres i tråden, der skabes en høj spænding indeni den", siger Minamisawa, "den stærkeste spænding, der nogensinde er genereret i silicium; sandsynligvis endda den stærkeste, der kan opnås, før materialet går i stykker." Raman-spektroskopi og computersimulering blev udført i Laboratory for Nanometallurgy under Ralph Spolenak ved ETH, for at måle spændingsfordelingen i detaljer. I fremtiden, sådanne ledninger vil også blive undersøgt ved den schweiziske lyskilde (SLS) på Paul Scherrer Instituttet. Formålet med sådanne forsøg vil især være at bestemme, hvor meget materialets elektroniske egenskaber har ændret sig.

Det ultimative mål ville være at bruge disse silicium nanotråde som hurtige transistorer i mikroprocessorer. For at opnå dette, forskerne vil nu undersøge, med partnere, hvordan man indlejrer disse ledninger i en transistorstruktur. Til det formål, ledningerne skal "dopes", forsynet med små mængder atomer af andre grundstoffer, "indpakket" i en tynd oxid og forsynet med metalkontakter. "Men selvom de ikke ender i mikroelektroniske applikationer, vores forskning kunne vise, hvad grænserne for siliciumelektronik egentlig er, " forklarer Minamisawa.