En forskargrupp ledd av Naoki Fukata, International Center for Materials Nanoarchitectonics, National Institute for Materials Science (NIMS), och en forskargrupp vid Georgia Institute of Technology utvecklade tillsammans en dubbelskiktad nanotråd, bestående av en germanium (Ge) kärna och ett kisel (Si) skal, vilket är ett lovande material för höghastighetstransistorkanaler. Dessutom, grupperna verifierade att Si-skiktet, som var dopad med föroreningar, och Ge-skiktet, som transporterar transportörer, var inte blandade, och att bärare genererades i Ge-skiktet. Dessa resultat tyder på att den nya nanotråden effektivt kan undertrycka spridningen av föroreningar, som hade varit ett problem med konventionella nanotrådar, tar därmed ett stort steg mot förverkligandet av en nästa generations höghastighetstransistor.

När det gäller utvecklingen av tvådimensionella metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer (MOSFETs), som nu används flitigt, det påpekades att ansträngningarna att miniatyrisera MOSFET med hjälp av konventionell teknik hade nått gränsen. För att hantera denna fråga, utvecklingen av en tredimensionell vertikal transistor, istället för en tvådimensionell transistor, föreslogs som ett nytt tillvägagångssätt för att uppnå hög integration (Figur 1). Användningen av halvledande nanotrådar som kanaler - den mest vitala delen av 3D-transistorn - hade föreslagits. Dock, det fanns ett problem med denna metod:i nanotrådar med en diameter på mindre än 20 nm, föroreningar dopade in i nanotrådarna för att generera bärare fick bärarna att spridas, vilket i sin tur minskade deras rörlighet.

Genom att utveckla nanotrådar bestående av en Ge-kärna och ett Si-skal, forskargrupperna lyckades skapa kanaler med hög rörlighet som kan separera föroreningsdopade regioner från transportörsregioner, därigenom undertrycker föroreningsspridning. Grupperna har också framgångsrikt verifierat kanalernas prestanda. Bärare genereras i Si-skalet av nanotrådarna, sprids in i Ge-kärnan, och rör sig i kärnan. Eftersom bärarrörligheten är högre i Ge-skiktet än i Si-skiktet, denna nanotrådsstruktur ökar bärarens rörlighet. Dessutom, denna struktur undertrycker också effekten av ytspridning, vilket är vanligt förekommande i konventionella nanotrådar. Vidare, grupperna verifierade att koncentrationen av bärare kan styras av mängden dopning.

Eftersom skapandet av kärnan-skalstrukturen endast kräver enkla råmaterial - kisel och germanium, det är möjligt att tillverka nanorören till låg kostnad. I framtida studier, vi planerar att faktiskt konstruera enheter som använder kärna-skal-strukturen, och bedöma deras potential som höghastighetsenheter genom att utvärdera deras egenskaper och prestanda.

Denna studie genomfördes som en del av forskningsprojektet med titeln "Kontroll av bärartransport genom positionskontrollerad dopning av kärna-skal heterojunction nanotrådar" (Naoki Fukata, huvudforskare) finansierad av Japan Society for the Promotion of Sciences Grants-in-Aid for Scientific Research (A)-program, och NIMS 3rd Mid-Term Program-projektet om kemisk nanoteknik. Studien publicerades i onlineversionen av ACS NANO den 11 november, 2015.