Sträckning av ett lager kisel kan bygga upp inre mekanisk belastning som avsevärt kan förbättra dess elektroniska egenskaper. Med silikon, man kan, till exempel, bygga snabbare och mindre strömförbrukande mikroprocessorer.

Forskare vid Paul Scherrer-institutet och ETH Zürich har utvecklat en metod som gör det möjligt för dem att producera 30 nanometer tjocka mycket ansträngda trådar i ett kiselskikt. Denna stam är den högsta som någonsin har observerats i ett material som kan tjäna som grund för elektroniska komponenter. Målet är att producera högpresterande och lågeffekttransistorer för mikroprocessorer baserade på sådana ledningar. Som en utgångspunkt, metoden använder ett substrat med ett kiselskikt som redan utsätts för låg belastning. Genom att selektivt etsa bort det omgivande materialet, en tunn tråd produceras i kiselskiktet som hänger som en liten bro över en klyfta, med den högsta stammen koncentrerad vid dess smalaste punkt. Forskarna rapporterar sina resultat i det senaste numret av onlinejournalen Naturkommunikation .

Det finns begränsade möjligheter att öka effektiviteten hos mikroprocessorer baserade på kiselteknik genom att minska storleken på enskilda byggelement. Men det finns andra lovande sätt, som till viss del redan används av industrin, som töjning eller komprimering av kisel, därigenom skapas mekanisk spänning som hjälper till att förbättra materialets elektroniska egenskaper. Till exempel, spänning i rätt riktning ökar signifikant elektronernas rörlighet, vilket gör transistorer mycket snabbare kopplingselement. "Det finns faktiskt ingen magi bakom att bygga upp spänningar i en tråd - du måste bara dra starkt i båda ändarna", förklarar Hans Sigg från laboratoriet för mikro- och nanoteknik vid Paul Scherrer-institutet. "Utmaningen är att implementera en sådan tråd i ett stressat tillstånd till en elektronisk komponent."

30 nm bred Silicon Bridge

Forskare vid Paul Scherrer -institutet har nu utvecklat en metod för att skapa kiseltrådar som är tätt anslutna till sitt omgivande material och är under en spänning som är mer än dubbelt så hög som den som används i moderna komponenter. Som utgångsmaterial, de har använt ett industriellt producerat substrat med ett lätt spänt kiselskikt fixerat på ett nedgrävt kiseloxidskikt. "Det var viktigt för oss att visa att vår metod är kompatibel med tillverkningsmetoder och material inom industrin", säger Hans Sigg. "Du kan tänka dig att materialet dras i alla riktningar innan det fästs vid oxidunderlaget", förklarar Renato Minamisawa från Paul Scherrer -institutet, som genomförde experimenten tillsammans med Martin Süess från ETH Zürich. "Underlaget håller sedan skiktet på plats så att det inte kan dra ihop sig längre."

I processen, smart valda delar av kiselskiktet och oxidunderskiktet avlägsnas av respektive etsningsmedel, för att skapa en tunn tråd från kiselskiktet - 30 nanometer brett och 15 nanometer tjockt - som fästs på resten av materialet endast vid dess slutpunkter. Metoden är exemplarisk för modern nanoteknologi. På det här sättet, tusentals sådana trådar kan produceras exakt i ett väldefinierat spänningsläge. Således är metoden mycket tillförlitlig. "Och det är till och med skalbart, vilket innebär att trådarna kan tillverkas så små som du vill ", Påpekar Sigg.

Snabbare transistorer genom höga påfrestningar

"Eftersom all kraft som fördelades över ett större område innan etsningen nu måste koncentreras i tråden, en hög spänning skapas inom den ", säger Minamisawa, "den starkaste spänningen som någonsin har genererats i kisel; förmodligen även den starkaste som kan erhållas innan materialet går sönder." Ramanspektroskopi och datasimulering utfördes i laboratoriet för nanometallurgi under Ralph Spolenak vid ETH, för att mäta spänningsfördelningen i detalj. I framtiden, sådana ledningar kommer också att studeras vid Swiss Light Source (SLS) vid Paul Scherrer Institute. Syftet med sådana experiment är särskilt att bestämma hur mycket de elektroniska egenskaperna hos materialet har förändrats.

Det yttersta målet skulle vara att använda dessa kisel -nanotrådar som snabba transistorer i mikroprocessorer. För att uppnå detta, forskarna kommer nu att undersöka, med partners, hur man bäddar in dessa ledningar i en transistorstruktur. I det syftet, trådarna måste "dopas", dvs försedda med små mängder atomer av andra element, "insvept" i en tunn oxid och försedd med metallkontakter. "Men även om de inte hamnar i mikroelektroniska applikationer, vår forskning kan visa vad gränserna för kiselelektronik egentligen är, "förklarar Minamisawa.