Nanodraden onder spanning leggen de basis voor ultrasnelle transistoren

Kleinere chips, snellere computers, minder energieverbruik. Nieuwe concepten op basis van halfgeleider nanodraden zullen naar verwachting transistors in micro-elektronische circuits beter en efficiënter maken. Elektronenmobiliteit speelt daarbij een sleutelrol: hoe sneller elektronen in deze kleine draadjes kunnen accelereren, hoe sneller een transistor kan schakelen en hoe minder energie hij nodig heeft. Een team van onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de TU Dresden en NaMLab is er nu in geslaagd om experimenteel aan te tonen dat elektronenmobiliteit in nanodraden opmerkelijk wordt verbeterd wanneer de schil de draadkern onder trekspanning plaatst. Dit fenomeen biedt nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van ultrasnelle transistoren.

Nanodraden hebben een unieke eigenschap: deze ultradunne draden kunnen zeer hoge elastische spanningen aan zonder de kristalstructuur van het materiaal te beschadigen. En toch zijn de materialen zelf niet ongebruikelijk. Galliumarsenide wordt bijvoorbeeld veel gebruikt in industriële productie en het is bekend dat het een hoge intrinsieke elektronenmobiliteit heeft.

Spanning zorgt voor snelheid

Om deze mobiliteit verder te vergroten, produceerden de onderzoekers van Dresden nanodraden bestaande uit een kern van galliumarsenide en een omhulsel van indiumaluminiumarsenide. De verschillende chemische ingrediënten resulteren in de kristalstructuren in de schaal en de kern met enigszins verschillende roosterafstanden. Dit zorgt ervoor dat de schaal een hoge mechanische belasting uitoefent op de veel dunnere kern. Het galliumarsenide in de kern verandert zijn elektronische eigenschappen. “We beïnvloeden de effectieve massa van elektronen in de kern. De elektronen worden als het ware lichter, waardoor ze mobieler worden”, legt dr. Emmanouil Dimakis uit, wetenschapper aan het HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research en initiatiefnemer van de recent gepubliceerde studie.

Wat begon als een theoretische voorspelling is nu experimenteel bewezen door de onderzoekers in de recent gepubliceerde studie. “We wisten dat de elektronen in de kern nog mobieler zouden moeten zijn in de door trekkracht gespannen kristalstructuur. Maar wat we niet wisten, was in hoeverre de draadschil de elektronenmobiliteit in de kern zou beïnvloeden. De kern is extreem dun , waardoor elektronen kunnen interageren met de schaal en erdoor worden verstrooid”, merkte Dimakis op. Een reeks metingen en tests toonden dit effect aan: ondanks interactie met de schil, bewogen elektronen in de kern van de onderzochte draden ongeveer dertig procent sneller bij kamertemperatuur dan elektronen in vergelijkbare nanodraden die spanningsvrij waren of in bulk galliumarsenide.

De kern onthullen

De onderzoekers maten de mobiliteit van elektronen door contactloze optische spectroscopie toe te passen: met behulp van een optische laserpuls lieten ze elektronen vrij in het materiaal. De wetenschappers hebben de lichtpuls-energie zo gekozen dat de schil praktisch transparant lijkt voor het licht, en vrije elektronen worden alleen geproduceerd in de draadkern. Daaropvolgende hoogfrequente terahertz-pulsen zorgden ervoor dat de vrije elektronen oscilleerden. “We geven de elektronen praktisch een schop en ze beginnen te oscilleren in de draad”, legt PD Dr. Alexej Pashkin uit, die in samenwerking met zijn team bij de HZDR de metingen optimaliseerde voor het testen van de kern-schil nanodraden die worden onderzocht.

Door de resultaten te vergelijken met modellen blijkt hoe de elektronen bewegen: hoe hoger hun snelheid en hoe minder obstakels ze tegenkomen, hoe langer de oscillatie duurt. “Dit is eigenlijk een standaardtechniek. Maar deze keer hebben we niet de hele draad gemeten – bestaande uit de kern en de schaal – maar alleen de kleine kern. Dit was een nieuwe uitdaging voor ons. De kern is goed voor ongeveer één procent van het materiaal Met andere woorden, we prikkelen ongeveer honderd keer minder elektronen en krijgen een signaal dat honderd keer zwakker is”, aldus Pashkin.

Bijgevolg was de keuze van het monster ook een cruciale stap. Een typisch monster bevat gemiddeld zo’n 20.000 tot 100.000 nanodraden op een stuk substraat van ongeveer één vierkante millimeter. Als de draden nog dichter bij elkaar op het monster worden geplaatst, kan een ongewenst effect optreden: aangrenzende draden interageren met elkaar, waardoor een signaal ontstaat dat lijkt op dat van een enkele, dikkere draad en de metingen worden vervormd. Als dit effect niet wordt gedetecteerd, is de verkregen elektronensnelheid te laag. Om dergelijke interferentie uit te sluiten, voerde het onderzoeksteam van Dresden aanvullende modellering uit, evenals een reeks metingen voor nanodraden met verschillende dichtheden.

Prototypes voor snelle transistors

Trends in de micro-elektronica en de halfgeleiderindustrie vragen steeds meer om kleinere transistoren die steeds sneller schakelen. Experts verwachten dat nieuwe nanodraadconcepten voor transistors de komende jaren ook hun intrede zullen doen in de industriële productie. Vooral voor ultrasnelle transistoren is de in Dresden gerealiseerde ontwikkeling veelbelovend. De volgende stap van de onderzoekers is het ontwikkelen van de eerste prototypes op basis van de bestudeerde nanodraden en het testen van hun bruikbaarheid. Om dit te doen, zijn ze van plan om metalen contacten op de nanodraden toe te passen, te testen en te verbeteren, evenals het testen van de dotering van nanodraden met silicium en het optimaliseren van productieprocessen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.