Bound-charge engineering: een nieuwe strategie om nanodraadtransistors te ontwikkelen

In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen en elektronische ingenieurs geprobeerd materialen te identificeren die kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten elektronische apparaten te fabriceren. Eendimensionale (1-D) en tweedimensionale (2-D) materialen blijken bijzonder gunstige eigenschappen te hebben, in het bijzonder voor de ontwikkeling van nieuwe generaties nano-elektronica (elektronische componenten op nanoschaal).

Dergelijke 1-D- en 2-D-materialen, zoals grafeen, monolaag molybdeendisulfide, silicium nanodraden en silicium nanobladen, zouden ook een cruciale rol kunnen spelen binnen de halfgeleiderindustrie, aangezien ze kunnen helpen om steeds kleinere transistors te ontwikkelen. Transistors zijn de basisbouwstenen van veel moderne elektronische apparaten, die bits van binaire informatie (dwz nullen en enen) kunnen opslaan en besturen.

Ondanks hun goed gedocumenteerde voordelen, kunnen opkomende laag-dimensionale materialen een relatief kleine hoeveelheid zogenaamde gratis ladingen hebben in vergelijking met 3D-materialen. In de context van elektronische componenten is een vrije lading een elektron of gat (dat wil zeggen, het ontbreken van een elektron in een atoomrooster dat fungeert als een positief geladen elektron) dat niet strak gebonden is aan het atoomrooster en daarom in staat is om te bewegen vrij door een materiaal als reactie op externe velden en aangelegde spanningen. Gratis kosten hebben een aantal belangrijke functies. Een daarvan is hun bijdrage aan het zogenaamde screeningeffect.

In feite kunnen gratis ladingen zichzelf herverdelen om scherpe elektrische potentiaalprofielen te creëren in zowel materialen als apparaten, ook in transistors. Hoe groter het aantal gratis ladingen dat materiaal bezit, hoe scherper het resulterende elektrische potentieel. Deze specifieke functie is vooral cruciaal voor de ontwikkeling van tunnel veldeffecttransistors, die sterk afhankelijk zijn van de kwantumtunneling van elektronen over knooppunten.

Onderzoekers van de McGill University en NanoAcademic Technologies hebben onlangs een strategie geïdentificeerd die het gebrek aan gratis ladingen in zowel 1-D- als 2D-materialen zou kunnen compenseren. In hun paper, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven, stelden ze het gebruik van deze strategie voor, die is gebaseerd op de engineering van gebonden ladingen, om transistors van silicium nanodraad te ontwikkelen.

“De tunnel-veldeffecttransistor heeft veel lagere vermogensdissipaties dan conventionele transistors, waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor elektronica met laag vermogen”, vertelde Raphaël Prentki, een van de onderzoekers die de studie uitvoerde, aan Phys.org. “Voor een tunnelveldeffecttransistor met een scherper elektrisch potentieel op de tunnelingovergang, wordt de kruising beter doorkruisbaar, wat leidt tot betere apparaatprestaties. We wilden dus een manier vinden om het gebrek aan vrije ladingen in laag-dimensionale materialen te compenseren. “

Er zijn twee soorten ladingen in materialen, namelijk gratis en gebonden ladingen. Zoals hun naam al doet vermoeden, zijn vrije ladingen losjes gebonden aan atoomkernen en vrij om te bewegen, waardoor ze gemakkelijk te manipuleren zijn met elektrische velden en spanningen. Daarentegen zijn gebonden ladingen stevig gebonden aan atoomkernen en kunnen ze alleen binnen atomen bewegen. Hoewel deze ladingen honderden jaren geleden zijn geïdentificeerd, worden ze in het algemeen niet overwogen of toegepast bij het ontwerpen van transistors of andere elektronische apparaten.

In hun studie bedachten Prentki en zijn collega’s een methode om op een voordelige manier gebonden ladingen in elektronische apparaten te engineeren. Ze noemen deze ontwerpstrategie ‘bound-charge engineering’.

“Met name door de vergelijkingen van Maxwell te gebruiken, kan worden aangetoond dat wanneer een elektrisch veld het grensvlak tussen twee materialen doorkruist, er zich gebonden ladingen vormen op dat grensvlak”, zei Prentki. “Bovendien is de hoeveelheid gebonden lading evenredig met de grootte van het elektrische veld, evenals het verschil tussen de permittiviteiten van de twee materialen. Permittiviteit is een materiaaleigenschap die kwantificeert hoeveel een materiaal polariseert in reactie op een extern elektrisch veld. . “

Prentki en zijn collega’s toonden aan dat oppervlaktegebonden ladingen op het grensvlak tussen twee gebieden van een elektronisch apparaat kunnen worden gecontroleerd door het elektrische veld af te stemmen en materialen te kiezen met geschikte permittiviteitswaarden. Om betere tunnelveldeffecttransistors te creëren, stellen de onderzoekers voor om een ​​deel van de tunnelovergang te omringen met een oxide met een lage permittiviteit, omdat dit de vorming van gebonden lading mogelijk maakt. In hun paper bespraken ze deze strategie voor het fabriceren van een transistor gemaakt van silicium nanodraad.

In bestaande state-of-the-art transistorontwerpen is de silicium nanodraad omgeven door een oxide met een hoge permittiviteit, zoals hafniumdioxide, wat een hoge poortcapaciteit mogelijk maakt. Prentki en zijn collega’s stellen daarentegen het idee voor om het gebied van de nanodraad dicht bij de tunnelovergang te omringen met siliciumdioxide, een isolator met een permittiviteitswaarde die slechts 3,8 keer groter is dan de permittiviteit van lucht.

“In ons ontwerp vormt de gebonden lading aan het nanodraad-oxide grensvlak een aanvulling op de vrije ladingen in het screeningseffect, wat resulteert in een scherpere tunnelovergang”, zei Prentki. “Dit resulteert in een door een gebonden lading ondersteunde tunnel veldeffecttransistor met een doorstroomstroom die meer dan 10 keer hoger is dan die van niet-gebonden ladingondersteunde transistors, wat de praktische toepassing ervan in computerapparatuur met hogere klokfrequenties mogelijk zou maken.”

Prentki en zijn collega’s toonden aan dat bound-charge engineering kan worden gebruikt om de grootte van uitputtingsgebieden op de kruising tussen twee gebieden van veldeffecttransistors te regelen. Dit geldt in het bijzonder voor de plaats waar de “bron” en “kanaal” of “kanaal” en “afvoer” -gebieden van een veldeffecttransistor samenkomen. Met andere woorden, gebonden ladingen kunnen worden gebruikt om gratis ladingen te ondersteunen door een sterker afschermeffect in transistors mogelijk te maken.

“Ons werk introduceert een algemene methode om gebonden ladingen in ons voordeel in materialen en apparaten te engineeren”, zei Prentki. “Dit is vooral nuttig bij opkomende eendimensionale en tweedimensionale materialen. Gebonden-ladingstechniek biedt bijvoorbeeld aanzienlijke prestatieverbeteringen in veldeffecttransistors van silicium nanodraadtunnels.”

In hun recente paper hebben de onderzoekers bewezen dat hun strategie voor het beheersen van de grootte van uitputtingsgebieden kan worden gebruikt om de prestaties van een specifiek type laagvermogen veldeffecttransistor, namelijk een tunnel veldeffecttransistor, te verbeteren. In hun volgende studies zullen ze experimenteel de haalbaarheid van hun strategie testen en deze gebruiken om een ​​echte tunnelveldeffecttransistor te realiseren.

“Ons onderzoek was puur gebaseerd op simulatie”, legt Prentki uit. “Hoewel we een state-of-the-art simulatiemethode hebben gebruikt, kan alleen een solide, real-world realisatie van het apparaat zonder twijfel bewijzen dat het concept van bound-charge engineering echt werkt.”

Naast het aantonen van de haalbaarheid van bound-charge engineering voor het creëren van beter presterende tunnel veldeffecttransistors met behulp van nanodraden, willen de onderzoekers hun strategie nu ook toepassen op andere gebieden van nano-elektronica. Ze willen bijvoorbeeld de effectiviteit testen voor het verkleinen van specifieke typen transistors.

“Bound-charge engineering is een heel algemeen idee dat tot stand is gekomen door basiswetten van elektromagnetisme”, voegde Prentki eraan toe. “ Het is dus in principe niet beperkt tot toepassingen op het gebied van nano-elektronica en transistorontwerp. Daarom willen we dit concept ook toepassen op andere onderzoeksgebieden waar gebonden lading en screening belangrijk kunnen zijn, zoals moleculaire elektronica, elektrochemie en kunstmatige fotosynthese. ”