Nanoledninger under spænding danner grundlaget for ultrahurtige transistorer

Mindre chips, hurtigere computere, mindre energiforbrug. Nye koncepter baseret på halvleder nanotråde forventes at gøre transistorer i mikroelektroniske kredsløb bedre og mere effektive. Elektronmobilitet spiller en nøglerolle i dette:Jo hurtigere elektroner kan accelerere i disse små ledninger, jo hurtigere kan en transistor skifte og jo mindre energi kræver den. Et team af forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden og NaMLab er nu lykkedes med eksperimentelt at demonstrere, at elektronmobilitet i nanotråde er bemærkelsesværdigt forbedret, når skallen placerer trådkernen under trækbelastning. Dette fænomen byder på nye muligheder for udvikling af ultrahurtige transistorer.

Nanotråde har en unik egenskab:Disse ultratynde tråde kan tåle meget høje elastiske belastninger uden at beskadige materialets krystalstruktur. Og alligevel er materialerne i sig selv ikke usædvanlige. Galliumarsenid er for eksempel meget brugt i industriel fremstilling og er kendt for at have en høj iboende elektronmobilitet.

Spænding skaber fart

For yderligere at forbedre denne mobilitet producerede Dresden-forskerne nanotråde bestående af en galliumarsenidkerne og en indiumaluminiumarsenidskal. De forskellige kemiske ingredienser resulterer i, at krystalstrukturerne i skallen og kernen har lidt forskellige gitterafstande. Dette får skallen til at udøve en høj mekanisk belastning på den meget tyndere kerne. Galliumarsenidet i kernen ændrer dets elektroniske egenskaber. "Vi påvirker den effektive masse af elektroner i kernen. Elektronerne bliver så at sige lettere, hvilket gør dem mere mobile," forklarede Dr. Emmanouil Dimakis, videnskabsmand ved HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research og initiativtager til nyligt offentliggjort undersøgelse.

Det, der startede som en teoretisk forudsigelse, er nu blevet bevist eksperimentelt af forskerne i den nyligt offentliggjorte undersøgelse. "Vi vidste, at elektronerne i kernen burde være endnu mere mobile i den trækspændte krystalstruktur. Men hvad vi ikke vidste, var i hvor høj grad trådskallen ville påvirke elektronmobiliteten i kernen. Kernen er ekstremt tynd. , hvilket tillader elektroner at interagere med skallen og blive spredt af den," bemærkede Dimakis. En række målinger og test viste denne effekt:På trods af interaktion med skallen bevægede elektroner i kernen af ​​de ledninger, der undersøges, sig cirka tredive procent hurtigere ved stuetemperatur end elektroner i sammenlignelige nanotråde, der var spændingsfrie eller i bulk galliumarsenid.

Afsløring af kernen

Forskerne målte elektronmobilitet ved at anvende kontaktløs optisk spektroskopi:Ved hjælp af en optisk laserpuls satte de elektroner fri inde i materialet. Forskerne valgte lyspulsenergien således, at skallen virker praktisk talt gennemsigtig for lyset, og frie elektroner produceres kun i trådkernen. Efterfølgende højfrekvente terahertz-impulser fik de frie elektroner til at oscillere. "Vi giver næsten elektronerne et kick, og de begynder at oscillere i ledningen," forklarede PD Dr. Alexej Pashkin, der optimerede målingerne til at teste de kerne-skal nanotråde, der er under undersøgelse i samarbejde med sit team på HZDR.

Sammenligning af resultaterne med modeller afslører, hvordan elektronerne bevæger sig:Jo højere deres hastighed og jo færre forhindringer de støder på, jo længere varer oscillationen. "Dette er faktisk en standardteknik. Men denne gang målte vi ikke hele tråden - der bestod af kernen og skallen - men kun den lille kerne. Dette var en ny udfordring for os. Kernen står for omkring en procent af materialet Med andre ord exciterer vi omkring hundrede gange færre elektroner og får et signal, der er hundrede gange svagere," sagde Pashkin.

Derfor var valget af prøve også et kritisk skridt. En typisk prøve indeholder et gennemsnit på omkring 20.000 til 100.000 nanotråde på et stykke substrat, der måler omkring en kvadratmillimeter. Hvis ledningerne er placeret endnu tættere sammen på prøven, kan der opstå en uønsket effekt:Naboledninger interagerer med hinanden, hvilket skaber et signal, der ligner en enkelt, tykkere ledning, og forvrænger målingerne. Hvis denne effekt ikke detekteres, er den opnåede elektronhastighed for lav. For at udelukke sådan interferens udførte forskerholdet fra Dresden yderligere modellering samt en række målinger for nanotråde med forskellige tætheder.

Prototyper til hurtige transistorer

Tendenser inden for mikroelektronik og halvlederindustrien kræver i stigende grad mindre transistorer, der skifter stadig hurtigere. Eksperter forventer, at nye nanotrådskoncepter til transistorer også vil gøre indtog i industriel produktion i løbet af de næste par år. Udviklingen i Dresden er særligt lovende for ultrahurtige transistorer. Forskernes næste skridt bliver at udvikle de første prototyper baseret på de undersøgte nanotråde og at teste deres egnethed til brug. For at gøre dette har de til hensigt at anvende, teste og forbedre metalliske kontakter på nanotrådene, samt teste doping af nanotråde med silicium og optimere fremstillingsprocesser.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Laboratorieforsøg viser, at halvleder nanotråde kan tunes over brede energiområder