Нанопроводници под силно механично напрежение на опън създават основата за свръхбързи транзистори.
По-малки чипове, по-бързи компютри, по-малко потребление на енергия. Очаква се новите концепции, базирани на полупроводникови нанопроводници, да направят транзисторите в микроелектронните схеми по-добри и по-ефективни. Подвижността на електроните играе ключова роля в това - колкото по-бързо могат да се ускорят електроните в тези малки проводници, толкова по-бързо може да превключва транзисторът и толкова по-малко енергия изисква.
Екип от изследователи от Хелмхолц център Дрезден-Росендорф (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf - HZDR), Техническия университет, Дрезден, и лабораторията за наноелектронни материали NaMLab вече успяха да демонстрират експериментално, че мобилността на електроните в нанопроводниците е забележително подобрена, когато обвивката постави ядрото на проводника под натоварване на опън. Това явление предлага нови възможности за разработване на свръхбързи транзистори.
Нанопроводниците имат уникални свойства. Тези ултратънки проводници могат да издържат много високи еластични натоварвания, без да се уврежда кристалната структура на материала. И все пак самите материали не са необичайни. Галиевият арсенид например се използва широко в промишленото производство и е известно, че има висока вътрешна подвижност на електроните.
Натоварването създава скорост
За да подобрят допълнително тази мобилност, изследователите от Дрезден произвеждат нанопроводници, състоящи се от ядро от галиев арсенид и обвивка от индий-алуминиев арсенид. Различните химични съставки водят до това, че кристалните структури в обвивката и сърцевината имат малко по-различно разстояние между решетките. Това кара обвивката да упражнява силно механично напрежение върху много по-тънкото ядро. Галиевият арсенид в сърцевината променя своите електронни свойства.
„Влияем върху ефективната маса на електроните в ядрото. Така да се каже, електроните стават по-леки, което ги прави по-подвижни“, обяснява д-р Емануил Димакис (Emmanouil Dimakis), учен от Института за физика на йонните лъчи и изследвания на материалите към HZDR и инициатор на наскоро публикуваното изследване.
Това, което започна като теоретична прогноза, сега е доказано експериментално от изследователите в наскоро публикуваното проучване.
„Знаехме, че електроните в ядрото трябва да са още по-подвижни в напрегнатата на опън кристална структура. Но това, което не знаехме, беше степента, до която проводниковата обвивка ще повлияе на мобилността на електроните в ядрото. Ядрото е изключително тънко, което позволява на електроните да взаимодействат с обвивката и да бъдат разсеяни от нея“, отбеляза Димакис.
Поредица от измервания и тестове демонстрират този ефект - въпреки взаимодействието с обвивката, електроните в ядрото на изследваните проводници се движат приблизително с тридесет процента по-бързо при стайна температура, отколкото електроните в сравними нанопроводници, които не са деформирани или в насипен галиев арсенид.
Проявявление на ядрото
Изследователите измерват подвижността на електроните чрез прилагане на безконтактна оптична спектроскопия - с помощта на оптичен лазерен импулс те освобождават електроните вътре в материала. Учените избират енергията на светлинния импулс така, че обвивката да изглежда практически прозрачна за светлината, а свободните електрони се произвеждат само в ядрото на проводника. Следващите високочестотни терахерцови импулси предизвикват осцилация на свободните електрони.
„На практика даваме тласък на електроните и те започват да осцилират в проводника“, обяснява д-р Алексей Пашкин (Alexej Pashkin), който оптимизира измерванията за тестване на съотношението ядро-обвивка на изследваните нанопроводници в сътрудничество със своя екип в HZDR.
Сравняването на резултатите с модели разкрива как се движат електроните. Колкото по-висока е тяхната скорост и колкото по-малко препятствия срещат, толкова по-дълго продължава осцилацията.
„Това всъщност е стандартна техника. Но този път не измерихме целия проводник – включващ сърцевината и обвивката – а само малката сърцевина. Това беше ново предизвикателство за нас. Ядрото представлява около един процент от материала. С други думи, ние възбуждаме около сто пъти по-малко електрони и получаваме сигнал, който е сто пъти по-слаб“, обяснява Пашкин.
Следователно изборът на проба също е критична стъпка. Типичната проба съдържа средно около 20 000 до 100 000 нанопроводници върху парче субстрат с размери приблизително един квадратен милиметър. Ако проводниците са разположени още по-близо един до друг върху пробата, може да възникне нежелан ефект - съседните проводници да взаимодействат един с друг, създавайки сигнал, подобен на този на единичен, по-дебел проводник и изкривявайки измерванията. Ако този ефект не бъде открит, получената скорост на електрона е твърде ниска. За да изключи такава интерференция, изследователският екип на Дрезден извършва допълнително моделиране, както и серия от измервания за нанопроводници с различна плътност.
Прототипи за бързи транзистори
Тенденциите в микроелектрониката и полупроводниковата индустрия все повече изискват по-малки транзистори, които се превключват все по-бързо. Експертите очакват, че новите концепции за нанопроводници за транзистори също ще навлязат в промишленото производство през следващите няколко години. Разработката, направена от екипа от Дрезден, е особено обещаваща за свръхбързите транзистори. Следващата стъпка на изследователите ще бъде да разработят първите прототипи на базата на изследваните нанопроводници и да тестват тяхната пригодност за употреба. За да направят това, те възнамеряват да прилагат, тестват и подобряват сцеплението между металите в нанопроводниците, както и да тестват легирането на нанопроводниците със силиций и да оптимизират производствените процеси.
Справка: “High electron mobility in strained GaAs nanowires” by Leila Balaghi, Si Shan, Ivan Fotev, Finn Moebus, Rakesh Rana, Tommaso Venanzi, René Hübner, Thomas Mikolajick, Harald Schneider, Manfred Helm, Alexej Pashkin and Emmanouil Dimakis, 17 November 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-27006-z
Източник: Speeding Through Semiconductor Nanowires: New Basis for Ultrafast Transistors
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари