Bound-charge engineering:En ny strategi til udvikling af nanotrådstransistorer

I de seneste år, fysikere og elektroniske ingeniører har forsøgt at identificere materialer, der kunne bruges til at fremstille nye typer elektroniske enheder. Endimensionelle (1-D) og todimensionale (2-D) materialer har vist sig at have særligt fordelagtige egenskaber, især til udvikling af nye generationer af nanoelektronik (elektroniske komponenter på nanoskala).

Sådanne 1-D og 2-D materialer, såsom grafen, monolag molybdændisulfid, silicium nanotråde og silicium nanoplader, kan også spille en afgørende rolle inden for halvlederindustrien, da de kunne være med til at udvikle stadigt mindre transistorer. Transistorer er de grundlæggende byggesten i mange moderne elektroniske enheder, som kan lagre og kontrollere bits af binær information (dvs. nuller og etaller).

På trods af deres veldokumenterede fordele, nye lavdimensionelle materialer kan have en relativt lille mængde såkaldte gratis omkostninger sammenlignet med 3-D materialer. I forbindelse med elektroniske komponenter, en fri ladning er en elektron eller et hul (dvs. mangel på en elektron i et atomgitter, der fungerer som en positivt ladet elektron), der ikke er tæt bundet til atomgitteret og derfor er i stand til at bevæge sig frit rundt i et materiale som reaktion på eksterne felter og påførte spændinger. Gratis afgifter har en række vigtige funktioner, en af ​​dem er deres bidrag til det, der er kendt som screeningseffekten.

Faktisk, gratis afgifter kan omfordele sig selv for at skabe skarpe elektriske potentialeprofiler i både materialer og enheder, også i transistorer. Derfor, jo større antal gratis afgifter, som materialet har, jo skarpere det resulterende elektriske potentiale. Denne særlige funktion er især afgørende for udviklingen af ​​tunnelfelteffekttransistorer, som i høj grad er afhængige af kvantetunnelering af elektroner på tværs af kryds.

Forskere ved McGill University og NanoAcademic Technologies har for nylig identificeret en strategi, der kunne kompensere for manglen på gratis afgifter, der observeres i både 1-D og 2-D materialer. I deres papir, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , de foreslog brugen af ​​denne strategi, som er baseret på konstruktion af bundne afgifter, at udvikle silicium nanotrådstransistorer.

"Tunnelfelteffekttransistoren har meget lavere effekttab end konventionelle transistorer, gør det til en lovende kandidat til laveffektelektronik, "Raphaël Prentki, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "For en tunnelfelteffekttransistor med skarpere elektrisk potentiale ved tunnelkrydset, krydset bliver mere gennemkørbart, fører til forbedret enhedsydelse. Vi sigtede derfor efter at finde en måde at kompensere for manglen på gratis afgifter i lavdimensionelle materialer."

Der er to typer ladninger i materialer, nemlig gratis og bundne gebyrer. Som deres navn antyder, frie ladninger er løst bundet til atomkerner og frie til at bevæge sig rundt, hvilket gør dem nemme at manipulere med elektriske felter og spændinger. I modsætning, bundne ladninger er tæt bundet til atomkerner og kan kun bevæge sig inden for atomer. Selvom disse anklager er blevet identificeret for hundreder af år siden, de er ikke generelt taget i betragtning eller anvendt ved design af transistorer eller andre elektroniske enheder.

I deres undersøgelse, Prentki og hans kolleger udtænkte en metode til at konstruere bundne ladninger i elektroniske enheder på en fordelagtig måde. De omtaler denne designstrategi som 'bound-charge engineering'.

"Specielt, ved hjælp af Maxwells ligninger, det kan påvises, at når et elektrisk felt krydser grænsefladen mellem to materialer, bundne ladningsformer på denne grænseflade, " sagde Prentki. "Desuden, mængden af ​​bundet ladning er proportional med størrelsen af ​​det elektriske felt, samt forskellen mellem permittiviteterne af de to materialer. Permittivitet er en materiel egenskab, der kvantificerer, hvor meget et materiale polariserer som reaktion på et eksternt elektrisk felt."

Prentki og hans kolleger viste, at overfladebundne ladninger ved grænsefladen mellem to områder af en elektronisk enhed kan styres ved at indstille det elektriske felt og vælge materialer med passende permittivitetsværdier. For at skabe bedre tunnelfelteffekttransistorer, forskerne foreslår at omgive en del af tunnelkrydset med et lavpermittivt oxid, da dette muliggør dannelsen af ​​bundet ladning. I deres papir, de overvejede denne strategi til fremstilling af en transistor lavet af silicium nanotråd.

I eksisterende avanceret transistordesign, silicium nanotråden er omgivet af et oxid med høj permittivitet, såsom hafniumdioxid, hvilket muliggør en høj portkapacitans. Prentki og hans kolleger, på den anden side, foreslå ideen om at omgive området af nanotråden tæt på tunnelkrydset ved hjælp af siliciumdioxid, en isolator med en permittivitetsværdi, der kun er 3,8 gange større end luftens permittivitet.

"I vores design, den bundne ladning ved nanotråd-oxid-grænsefladen komplementerer frie ladninger i screeningseffekten, resulterer i et skarpere tunnelkryds, " sagde Prentki. "Dette resulterer i en bundet ladningsassisteret tunnelfelteffekttransistor med en on-state strøm over 10 gange højere end transistorer med ikke-bundet ladning, som kunne muliggøre dens praktiske anvendelse i computerenheder ved højere clockfrekvenser."

Prentki og hans kolleger viste, at bundet ladningsteknik kan bruges til at kontrollere størrelsen af ​​udtømningsområder ved krydset mellem to områder af felteffekttransistorer. Dette gælder især for det sted, hvor "kilden" og "kanalen, " eller "kanal" og "dræn" områder af en felteffekttransistor mødes. Med andre ord, bundne ladninger kan bruges til at understøtte gratis afgifter for at muliggøre en stærkere screeningseffekt i transistorer.

"Vores arbejde introducerer en generel metode til at konstruere bundne ladninger til vores fordel i materialer og enheder, " sagde Prentki. "Dette er især nyttigt i nye en-dimensionelle og to-dimensionelle materialer. For eksempel, bound-charge engineering giver betydelige ydelsesforøgelser i silicium nanowire tunnel field-effect transistorer."

I deres seneste avis, forskerne beviste, at deres strategi til at kontrollere størrelsen af ​​udtømningsområder kan bruges til at forbedre ydeevnen af ​​en specifik type laveffekt-felteffekttransistor, nemlig en tunnelfelteffekttransistor. I deres næste studier, de vil eksperimentelt teste gennemførligheden af ​​deres strategi, bruge den til at realisere en rigtig tunnelfelteffekttransistor.

"Vores undersøgelse var udelukkende simulationsbaseret, " Forklarede Prentki. "Selvom vi brugte en avanceret simuleringsmetode, kun et solidt, Realisering af enheden i den virkelige verden kan bevise uden tvivl, at konceptet med bundet ladningsteknik virkelig virker."

Ud over at bevise gennemførligheden af ​​bundet ladningsteknik til at skabe bedre ydende tunnelfelteffekttransistorer ved hjælp af nanotråde, forskerne vil nu gerne anvende deres strategi på andre områder inden for nanoelektronik. For eksempel, de vil gerne teste dens effektivitet til nedskalering af specifikke typer transistorer.

"Bound-charge engineering er en meget generel idé etableret af grundlæggende love for elektromagnetisme, " tilføjede Prentki. "Således, i princippet, det er ikke begrænset til applikationer inden for nanoelektronik og transistordesign. Derfor, vi vil også gerne anvende dette koncept på andre forskningsfelter, hvor bundet ladning og screening kan være vigtigt, såsom molekylær elektronik, elektrokemi og kunstig fotosyntese."

© 2021 Science X Network