Меньшие чипы, более быстрые компьютеры, меньшее потребление энергии. Ожидается, что новые концепции, основанные на полупроводниковых нанопроводах, сделают транзисторы в микроэлектронных схемах лучше и эффективнее. Подвижность электронов играет ключевую роль в этом: чем быстрее электроны могут ускоряться в этих крошечных проводах, тем быстрее может переключаться транзистор и тем меньше энергии он требует. Группе исследователей из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden и NaMLab удалось экспериментально продемонстрировать, что подвижность электронов в нанопроволоках значительно увеличивается, когда оболочка подвергает сердцевину проволоки растяжению. Это явление открывает новые возможности для разработки сверхбыстрых транзисторов.
Нанопроволоки обладают уникальным свойством: эти ультратонкие проволоки могут выдерживать очень высокие упругие деформации, не повреждая кристаллическую структуру материала. И все же сами материалы не являются чем-то необычным. Арсенид галлия, например, широко используется в промышленном производстве и, как известно, обладает высокой внутренней подвижностью электронов .
Напряжение создает скорость
Чтобы еще больше повысить эту мобильность, исследователи из Дрездена создали нанопроволоки, состоящие из ядра из арсенида галлия и оболочки из арсенида индия и алюминия. Различные химические ингредиенты приводят к тому, что кристаллические структуры в оболочке и ядре имеют немного разные интервалы решетки. Это заставляет оболочку оказывать сильное механическое напряжение на гораздо более тонкое ядро. Арсенид галлия в ядре изменяет свои электронные свойства. «Мы влияем на эффективную массу электронов в ядре. Электроны, так сказать, становятся легче, что делает их более мобильными», — объяснил д-р Эммануил Димакис, ученый из Института ионно-лучевой физики и материаловедения HZDR и инициатор исследования. недавно опубликованное исследование.
То, что начиналось как теоретическое предсказание, теперь было подтверждено экспериментально исследователями в недавно опубликованном исследовании. «Мы знали, что электроны в ядре должны быть еще более подвижными в кристаллической структуре, деформированной при растяжении. Но чего мы не знали, так это того, в какой степени проволочная оболочка повлияет на подвижность электронов в ядре. Сердцевина чрезвычайно тонкая. , позволяя электронам взаимодействовать с оболочкой и рассеиваться на ней», — заметил Димакис. Серия измерений и тестов продемонстрировала этот эффект: несмотря на взаимодействие с оболочкой, электроны в сердцевине исследуемых проводов при комнатной температуре двигались примерно на тридцать процентов быстрее, чем электроны в сопоставимых нанопроволоках, которые не были деформированы, или в объемном арсениде галлия.
Раскрытие ядра
Исследователи измерили подвижность электронов, применив бесконтактную оптическую спектроскопию: с помощью оптического лазерного импульса они освободили электроны внутри материала. Энергию светового импульса ученые подобрали так, чтобы оболочка казалась практически прозрачной для света, а свободные электроны образовывались только в сердцевине проволоки. Последующие высокочастотные терагерцовые импульсы заставляли свободные электроны колебаться. «Мы практически даем электронам толчок, и они начинают колебаться в проводе», — объяснил доктор технических наук Алексей Пашкин, который оптимизировал измерения для тестирования исследуемых нанопроводов ядро-оболочка в сотрудничестве со своей командой в HZDR.
Сравнение результатов с моделями показывает, как движутся электроны: чем выше их скорость и чем меньше препятствий они встречают, тем дольше длятся колебания. «На самом деле это стандартный метод. Но на этот раз мы измеряли не всю проволоку, состоящую из сердечника и оболочки, а только крошечную жилу. Это стало для нас новым вызовом. На сердцевину приходится около одного процента материала. Другими словами, мы возбуждаем примерно в сто раз меньше электронов и получаем сигнал в сто раз слабее», — констатировал Пашкин.
Следовательно, выбор образца также был важным шагом. Типичный образец содержит в среднем от 20 000 до 100 000 нанопроволок на куске подложки размером примерно один квадратный миллиметр. Если провода расположены на образце еще ближе друг к другу, может возникнуть нежелательный эффект: соседние провода взаимодействуют друг с другом, создавая сигнал, аналогичный сигналу одиночного, более толстого провода, и искажая измерения. Если этот эффект не обнаружен, полученная скорость электрона слишком мала. Чтобы исключить такие помехи, исследовательская группа из Дрездена провела дополнительное моделирование, а также серию измерений для нанопроволок различной плотности.
Прототипы быстрых транзисторов
Тенденции в микроэлектронике и полупроводниковой промышленности все чаще требуют транзисторов меньшего размера, которые переключаются еще быстрее. Эксперты ожидают, что в течение следующих нескольких лет новые концепции нанопроводов для транзисторов также проникнут в промышленное производство. Разработка, достигнутая в Дрездене, особенно перспективна для сверхбыстрых транзисторов. Следующим шагом исследователей станет разработка первых прототипов на основе изученных нанопроволок и проверка их пригодности для использования. Для этого они намерены наносить, тестировать и улучшать металлические контакты на нанопроволоках, а также тестировать легирование нанопроволок кремнием и оптимизировать производственные процессы.
Исследование было опубликовано в Nature Communications.
