L'allungamento di uno strato di silicio può accumulare sollecitazioni meccaniche interne che possono migliorare considerevolmente le sue proprietà elettroniche. Con silicio teso, uno può, Per esempio, costruire microprocessori più veloci e che consumano meno energia.

I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer e dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un metodo che consente loro di produrre fili altamente tesi dello spessore di 30 nanometri in uno strato di silicio. Questo ceppo è il più alto che sia mai stato osservato in un materiale che può servire come base per i componenti elettronici. L'obiettivo è produrre transistor ad alte prestazioni e bassa potenza per microprocessori basati su tali fili. Come punto di partenza, il metodo utilizza un substrato con uno strato di silicio che è già sottoposto a bassa deformazione. Incidendo selettivamente il materiale circostante, nello strato di silicio viene prodotto un filo sottile che pende come un minuscolo ponte sopra una gola, con il ceppo più alto concentrato nel suo punto più stretto. I ricercatori riportano i loro risultati nell'ultimo numero della rivista online Comunicazioni sulla natura .

Esistono possibilità limitate per aumentare l'efficienza dei microprocessori basati sulla tecnologia al silicio diminuendo le dimensioni dei singoli elementi dell'edificio. Ma ci sono altri modi promettenti, che sono in una certa misura già utilizzati dall'industria, come allungare o comprimere il silicio, creando così una tensione meccanica che aiuta a migliorare le proprietà elettroniche del materiale. Per esempio, la tensione nella direzione corretta aumenta significativamente la mobilità degli elettroni, il che rende i transistor elementi di commutazione molto più veloci. "In realtà non c'è magia dietro l'accumulo di tensione in un filo - devi solo tirare con forza su entrambe le estremità", spiega Hans Sigg del Laboratorio di micro e nanotecnologie del Paul Scherrer Institute. "La sfida consiste nell'implementare un cavo del genere in uno stato sollecitato in un componente elettronico".

Ponte in silicio largo 30 nm

I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer hanno ora sviluppato un metodo per creare fili di silicio che sono strettamente collegati al materiale circostante e sono sottoposti a una tensione che è più del doppio di quella utilizzata nei componenti contemporanei. Come materiale iniziale, hanno utilizzato un substrato prodotto industrialmente con uno strato di silicio leggermente sollecitato fissato su uno strato di ossido di silicio sepolto. "Era importante per noi dimostrare che il nostro metodo è compatibile con i metodi di fabbricazione e i materiali dell'industria", dice Hans Sigg. "Puoi immaginare che il materiale venga tirato in tutte le direzioni prima di essere attaccato al sottostrato di ossido", spiega Renato Minamisawa del Paul Scherrer Institute, che ha condotto gli esperimenti insieme a Martin Süess dell'ETH di Zurigo. "Il substrato mantiene quindi lo strato in posizione in modo che non possa più contrarsi".

Nel processo, parti abilmente scelte dello strato di silicio e del sottostrato di ossido vengono rimosse dai rispettivi agenti di attacco, per creare un filo sottile dallo strato di silicio – largo 30 nanometri e spesso 15 nanometri – che è attaccato al resto del materiale solo ai suoi estremi. Il metodo è esemplare per le possibilità della moderna nanotecnologia. In questo modo, migliaia di tali fili possono essere prodotti con precisione in uno stato di tensione ben definito. Quindi il metodo è molto affidabile. "Ed è anche scalabile, il che significa che i fili possono essere fabbricati piccoli quanto vuoi", sottolinea Sigg.

Transistor più veloci attraverso sollecitazioni elevate

"Poiché tutta la forza che era distribuita su un'area più ampia prima dell'incisione ora deve concentrarsi nel filo, al suo interno si crea un'alta tensione", dice Minamisawa, "la più forte tensione mai generata nel silicio; probabilmente anche la più forte ottenibile prima che il materiale si rompa." La spettroscopia Raman e la simulazione al computer sono state condotte nel Laboratorio per la nanometallurgia sotto Ralph Spolenak presso l'ETH, per misurare in dettaglio la distribuzione delle sollecitazioni. Nel futuro, tali fili saranno studiati anche presso la Swiss Light Source (SLS) presso l'Istituto Paul Scherrer. L'obiettivo di tali esperimenti sarà soprattutto quello di determinare quanto siano cambiate le proprietà elettroniche del materiale.

L'obiettivo finale sarebbe utilizzare questi nanofili di silicio come transistor veloci all'interno dei microprocessori. Per realizzare questo, i ricercatori ora indagheranno, con i partner, come incorporare questi fili in una struttura a transistor. Per quello scopo, i fili devono essere "drogati", cioè provvisto di piccole quantità di atomi di altri elementi, "avvolto" in un sottile ossido e provvisto di contatti metallici. "Ma anche se non finiscono nelle applicazioni microelettroniche, la nostra ricerca potrebbe mostrare quali sono realmente i limiti dell'elettronica al silicio, " spiega Minamisawa.