Un gruppo di ricerca guidato da Naoki Fukata, Centro Internazionale per la Nanoarchitettura dei Materiali, Istituto nazionale per la scienza dei materiali (NIMS), e un gruppo di ricerca del Georgia Institute of Technology ha sviluppato congiuntamente un nanofilo a doppio strato, costituito da un nucleo di germanio (Ge) e un guscio di silicio (Si), che è un materiale promettente per i canali dei transistor ad alta velocità. Inoltre, i gruppi hanno verificato che lo strato di Si, che è stato drogato con impurità, e lo strato Ge, che trasporta vettori, non erano mescolati, e che i portatori sono stati generati nello strato Ge. Questi risultati suggeriscono che il nuovo nanofilo può sopprimere efficacemente la dispersione delle impurità, che era stato un problema con i nanofili convenzionali, compiendo così un passo importante verso la realizzazione di un transistor ad alta velocità di nuova generazione.

Per quanto riguarda lo sviluppo di transistor ad effetto di campo bidimensionali metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET), che sono ormai largamente utilizzati, è stato sottolineato che gli sforzi per miniaturizzare il MOSFET utilizzando la tecnologia convenzionale avevano raggiunto il limite. Per affrontare questo problema, lo sviluppo di un transistor verticale tridimensionale, invece di un transistor bidimensionale, è stato proposto come un nuovo approccio per realizzare un'elevata integrazione (Figura 1). Era stato suggerito l'uso di nanofili semiconduttori come canali, la parte più vitale del transistor 3-D. Però, c'era un problema con questo metodo:nei nanofili con un diametro inferiore a 20 nm, le impurità drogate nei nanofili per generare vettori hanno causato la dispersione dei vettori, che a sua volta diminuiva la loro mobilità.

Sviluppando nanofili costituiti da un nucleo di Ge e un guscio di Si, i gruppi di ricerca sono riusciti a creare canali ad alta mobilità in grado di separare le regioni drogate con impurità dalle regioni di trasporto di vettori, sopprimendo così la dispersione delle impurità. I gruppi hanno anche verificato con successo le prestazioni dei canali. I portatori sono generati nel guscio di Si dei nanofili, diffuso nel nucleo Ge, e muoversi nel nucleo. Poiché la mobilità dei portatori è maggiore nello strato Ge che nello strato Si, questa struttura a nanofili aumenta la mobilità dei portatori. Inoltre, questa struttura sopprime anche l'effetto della dispersione superficiale, che si verifica comunemente nei nanofili convenzionali. Per di più, i gruppi hanno verificato che la concentrazione dei vettori può essere controllata dalla quantità di drogaggio.

Perché la creazione della struttura core-shell richiede solo materie prime semplici?silicio e germanio, è fattibile produrre i nanotubi a basso costo. Negli studi futuri, abbiamo in programma di costruire effettivamente dispositivi che utilizzino la struttura core-shell, e valutare il loro potenziale come dispositivi ad alta velocità valutando le loro caratteristiche e prestazioni.

Questo studio è stato condotto nell'ambito del progetto di ricerca "Control of carrier transport by position-controllato doping of core-shell heterojunction nanowires" (Naoki Fukata, ricercatore principale) finanziato dal programma Grants-in-Aid for Scientific Research (A) della Japan Society for the Promotion of Science, e il progetto NIMS 3rd Mid-Term Program sulle nanotecnologie chimiche. Lo studio è stato pubblicato nella versione online di ACS NANO l'11 novembre 2015.