Terahertz-spektroskopimätningar visade att den ansträngda kärnan av halvledarnanotrådar kan vara värd för snabbt rörliga elektroner, ett koncept som skulle kunna användas för en ny generation av nanotransistorer. Kredit:HZDR/Juniks
Mindre chips, snabbare datorer, mindre energiförbrukning. Nya koncept baserade på halvledarnanotrådar förväntas göra transistorer i mikroelektroniska kretsar bättre och mer effektiva. Elektronrörlighet spelar en nyckelroll i detta:Ju snabbare elektroner kan accelerera i dessa små ledningar, desto snabbare kan en transistor växla och desto mindre energi kräver den. Ett team av forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden och NaMLab har nu lyckats experimentellt demonstrera att elektronrörlighet i nanotrådar förbättras anmärkningsvärt när skalet placerar trådkärnan under dragpåkänning. Detta fenomen erbjuder nya möjligheter för utveckling av ultrasnabba transistorer.
Nanotrådar har en unik egenskap:Dessa ultratunna trådar kan tåla mycket höga elastiska spänningar utan att skada kristallstrukturen i materialet. Och ändå är materialen i sig inte ovanliga. Galliumarsenid, till exempel, används i stor utsträckning inom industriell tillverkning och är känt för att ha en hög inneboende elektronrörlighet.
Spänning skapar fart
För att ytterligare förbättra denna rörlighet producerade Dresden-forskarna nanotrådar bestående av en galliumarsenidkärna och ett indiumaluminiumarsenidskal. De olika kemiska ingredienserna resulterar i att kristallstrukturerna i skalet och kärnan har något olika gitteravstånd. Detta gör att skalet utövar en hög mekanisk belastning på den mycket tunnare kärnan. Galliumarseniden i kärnan ändrar dess elektroniska egenskaper. "Vi påverkar den effektiva massan av elektroner i kärnan. Elektronerna blir så att säga lättare, vilket gör dem mer rörliga", förklarade Dr. Emmanouil Dimakis, forskare vid HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research och initiativtagare till nyligen publicerad studie.
Det som började som en teoretisk förutsägelse har nu bevisats experimentellt av forskarna i den nyligen publicerade studien. "Vi visste att elektronerna i kärnan borde vara ännu mer rörliga i den dragspända kristallstrukturen. Men vad vi inte visste var i vilken utsträckning trådskalet skulle påverka elektronrörligheten i kärnan. Kärnan är extremt tunn. , vilket gör att elektroner kan interagera med skalet och sprids av det," anmärkte Dimakis. En serie mätningar och tester visade denna effekt:Trots interaktion med skalet, rörde sig elektroner i kärnan av de undersökta ledningarna ungefär trettio procent snabbare vid rumstemperatur än elektroner i jämförbara nanotrådar som var spänningsfria eller i bulk galliumarsenid.
Avslöjar kärnan
Forskarna mätte elektronrörlighet genom att använda kontaktlös optisk spektroskopi:Med hjälp av en optisk laserpuls släppte de elektroner fria inuti materialet. Forskarna valde ljuspulsenergin så att skalet verkar praktiskt taget genomskinligt för ljuset, och fria elektroner produceras bara i trådkärnan. Efterföljande högfrekventa terahertz-pulser fick de fria elektronerna att oscillera. "Vi ger praktiskt taget elektronerna en kick och de börjar oscillera i tråden", förklarade PD Dr Alexej Pashkin, som optimerade mätningarna för att testa de kärn-skal nanotrådar som undersöks i samarbete med sitt team på HZDR.
Att jämföra resultaten med modeller avslöjar hur elektronerna rör sig:Ju högre hastighet de har och ju färre hinder de stöter på, desto längre varar oscillationen. "Det här är faktiskt en standardteknik. Men den här gången mätte vi inte hela tråden - som består av kärnan och skalet - utan bara den lilla kärnan. Detta var en ny utmaning för oss. Kärnan står för cirka en procent av materialet Med andra ord exciterar vi ungefär hundra gånger färre elektroner och får en signal som är hundra gånger svagare, säger Pashkin.
Följaktligen var valet av prov också ett kritiskt steg. Ett typiskt prov innehåller i genomsnitt cirka 20 000 till 100 000 nanotrådar på en bit substrat som mäter ungefär en kvadratmillimeter. Om ledningarna är placerade ännu närmare varandra på provet kan en oönskad effekt uppstå:Närliggande kablar interagerar med varandra, skapar en signal som liknar den för en enda, tjockare tråd och förvränger mätningarna. Om denna effekt inte detekteras är den erhållna elektronhastigheten för låg. För att utesluta sådana störningar genomförde forskargruppen i Dresden ytterligare modellering samt en serie mätningar för nanotrådar med olika densiteter.
Prototyper för snabba transistorer
Trender inom mikroelektronik och halvledarindustrin kräver alltmer mindre transistorer som växlar allt snabbare. Experter räknar med att nya nanotrådskoncept för transistorer också kommer att göra intåg i industriell produktion under de närmaste åren. Utvecklingen i Dresden är särskilt lovande för ultrasnabba transistorer. Forskarnas nästa steg blir att utveckla de första prototyperna baserade på de studerade nanotrådarna och att testa deras lämplighet för användning. För att göra detta avser de att applicera, testa och förbättra metalliska kontakter på nanotrådarna, samt testa dopningen av nanotrådar med kisel och optimera tillverkningsprocesser.
Forskningen publicerades i Nature Communications . + Utforska vidare
