Det finns goda nyheter i sökandet efter nästa generation av halvledare. Forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California Berkeley, har framgångsrikt integrerat ultratunna lager av halvledaren indiumarsenid på ett kiselsubstrat för att skapa en nanoskala transistor med utmärkta elektroniska egenskaper. Medlem av III -V -familjen av halvledare, indiumarsenid erbjuder flera fördelar som ett alternativ till kisel, inklusive överlägsen elektronmobilitet och hastighet, vilket gör den till en framstående kandidat för framtida lågeffekt, höghastighetselektroniska enheter.

"Vi har visat en enkel väg för den heterogena integrationen av indiumarsenidlager ner till en tjocklek av 10 nanometer på kiselsubstrat, "säger Ali Javey, en fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i elektroteknik och datavetenskap vid UC Berkeley, som ledde denna forskning.

"De enheter som vi sedan tillverkade visade sig fungera nära de beräknade prestandagränserna för III-V-enheter med minimal läckström. Våra enheter uppvisade också överlägsen prestanda när det gäller strömtäthet och transkonduktans jämfört med kiseltransistorer med liknande dimensioner."

För alla sina underbara elektroniska egenskaper, kisel har begränsningar som har lett till en intensiv sökning efter alternativa halvledare som ska användas i framtida enheter. Javey och hans forskargrupp har fokuserat på förening III – V halvledare, som har utmärkta elektrontransportegenskaper. Utmaningen har varit att hitta ett sätt att ansluta dessa sammansatta halvledare till de väletablerade, lågkostnadsteknik som används för att producera dagens kiselbaserade enheter. Med tanke på den stora gittermatchningen mellan kisel och III-V-sammansatta halvledare, direkt hetero-epitaxiell tillväxt av III-V på kiselsubstrat är utmanande och komplex, och resulterar ofta i en hög volym defekter.

"Vi har visat vad vi kallar ett" XOI, 'eller sammansatt halvledar-på-isolator-teknikplattform, som är parallell med dagens SOI, 'eller kisel-på-isolatorplattform, "säger Javey." Med hjälp av en epitaxial överföringsmetod, vi överförde ultratunna lager av enkristallindium-arsenid på kisel/kiseldioxidunderlag, sedan tillverkade enheter med konventionell behandlingsteknik för att karakterisera XOI -materialet och enhetens egenskaper. "

Resultaten av denna forskning har publicerats i tidskriften Natur, i ett papper med titeln, "Ultratunn halvledare på isolatorlager för högpresterande nanoskala transistorer." Medförfattare till 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 och Sayeef Salahuddin.

För att göra sina XOI -plattformar, Javey och hans medarbetare odlade enkristalliga indiumarsenid-tunna filmer (10 till 100 nanometer tjocka) på ett preliminärt källsubstrat och litografiskt mönstrade filmerna till ordnade uppsättningar av nanoribon. Efter att ha tagits bort från källsubstratet genom en selektiv våtetsning av ett underliggande offerskikt, nanoribarrayerna överfördes till kisel/kiseldioxid -substratet via en stansningsprocess.

Javey tillskrev XOI -transistornas utmärkta elektroniska prestanda till de små dimensionerna av det aktiva "X" -skiktet och den kritiska roll som kvantfängsling spelar, som tjänade till att justera materialets bandstruktur och transportegenskaper. Även om han och hans grupp endast använde indiumarsenid som deras sammansatta halvledare, tekniken bör också lätt rymma andra förening III/V halvledare.

"Framtida forskning om skalbarheten i vår process för 8-tums och 12-tums wafer-bearbetning behövs, "Sa Javey.

"Framåt tror vi att XOI -substraten kan erhållas genom en skivbindningsprocess, men vår teknik bör göra det möjligt att tillverka både p- och n-typ transistorer på samma chip för kompletterande elektronik baserat på optimala III – V halvledare.

"Vidare, detta koncept kan användas för att direkt integrera högpresterande fotodioder, lasrar, och ljusemitterande dioder på konventionella kiselsubstrat. Unikt, denna teknik kan göra det möjligt för oss att studera de grundläggande materialegenskaperna hos oorganiska halvledare när tjockleken skalas ner till endast några atomlager. "