Le misurazioni della spettroscopia Terahertz hanno mostrato che il nucleo teso dei nanofili semiconduttori può ospitare elettroni in rapido movimento, un concetto che potrebbe essere impiegato per una nuova generazione di nanotransistor. Credito:HZDR/Juniks
Chip più piccoli, computer più veloci, minor consumo di energia. Ci si aspetta che nuovi concetti basati su nanofili semiconduttori rendano i transistor nei circuiti microelettronici migliori e più efficienti. La mobilità degli elettroni gioca un ruolo chiave in questo:più velocemente gli elettroni possono accelerare in questi minuscoli fili, più velocemente un transistor può commutare e meno energia richiede. Un team di ricercatori di Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden e NaMLab è ora riuscito a dimostrare sperimentalmente che la mobilità degli elettroni nei nanofili è notevolmente migliorata quando il guscio pone l'anima del filo sotto sforzo di trazione. Questo fenomeno offre nuove opportunità per lo sviluppo di transistor ultraveloci.
I nanofili hanno una proprietà unica:questi fili ultrasottili possono sostenere deformazioni elastiche molto elevate senza danneggiare la struttura cristallina del materiale. Eppure i materiali stessi non sono insoliti. L'arseniuro di gallio, ad esempio, è ampiamente utilizzato nella produzione industriale ed è noto per avere un'elevata mobilità elettronica intrinseca.
La tensione crea velocità
Per migliorare ulteriormente questa mobilità, i ricercatori di Dresda hanno prodotto nanofili costituiti da un nucleo di arseniuro di gallio e un guscio di arseniuro di indio e alluminio. I diversi ingredienti chimici fanno sì che le strutture cristalline nel guscio e il nucleo abbiano spazi reticolari leggermente diversi. Ciò fa sì che il guscio eserciti un'elevata sollecitazione meccanica sul nucleo molto più sottile. L'arseniuro di gallio nel nucleo cambia le sue proprietà elettroniche. "Influenziamo la massa effettiva degli elettroni nel nucleo. Gli elettroni diventano più leggeri, per così dire, il che li rende più mobili", ha spiegato la dott.ssa Emmanouil Dimakis, scienziato presso l'Istituto di fisica e ricerca sui materiali dei fasci di ioni dell'HZDR e iniziatore del studio recentemente pubblicato.
Quella che era iniziata come una previsione teorica è stata ora dimostrata sperimentalmente dai ricercatori nello studio recentemente pubblicato. "Sapevamo che gli elettroni nel nucleo avrebbero dovuto essere ancora più mobili nella struttura cristallina sottoposta a trazione. Ma quello che non sapevamo era la misura in cui il guscio del filo avrebbe influenzato la mobilità degli elettroni nel nucleo. Il nucleo è estremamente sottile , consentendo agli elettroni di interagire con il guscio e di essere dispersi da esso", ha osservato Dimakis. Una serie di misurazioni e test hanno dimostrato questo effetto:nonostante l'interazione con il guscio, gli elettroni nel nucleo dei fili in esame si sono mossi circa il trenta percento più velocemente a temperatura ambiente rispetto agli elettroni in nanofili comparabili che erano privi di deformazione o in arseniuro di gallio sfuso.
Rivelare il nucleo
I ricercatori hanno misurato la mobilità degli elettroni applicando la spettroscopia ottica senza contatto:utilizzando un impulso laser ottico, hanno liberato gli elettroni all'interno del materiale. Gli scienziati hanno selezionato l'energia dell'impulso luminoso in modo tale che il guscio sembri praticamente trasparente alla luce e gli elettroni liberi siano prodotti solo nell'anima del filo. I successivi impulsi terahertz ad alta frequenza facevano oscillare gli elettroni liberi. "Praticamente diamo un calcio agli elettroni e iniziano a oscillare nel filo", ha spiegato il dott. Alexej Pashkin, PD, che ha ottimizzato le misurazioni per testare i nanofili core-shell oggetto di indagine in collaborazione con il suo team presso l'HZDR.
Il confronto dei risultati con i modelli rivela come si muovono gli elettroni:maggiore è la loro velocità e minori sono gli ostacoli che incontrano, maggiore è la durata dell'oscillazione. "Questa è in realtà una tecnica standard. Ma questa volta non abbiamo misurato l'intero filo, che comprende l'anima e il guscio, ma solo l'anima minuscola. Questa è stata una nuova sfida per noi. L'anima rappresenta circa l'uno per cento del materiale In altre parole, eccitiamo circa cento volte meno elettroni e otteniamo un segnale cento volte più debole", ha affermato Pashkin.
Di conseguenza, anche la scelta del campione è stata un passaggio critico. Un campione tipico contiene una media di circa 20.000-100.000 nanofili su un pezzo di substrato che misura circa un millimetro quadrato. Se i fili sono distanziati ancora più vicini sul campione, può verificarsi un effetto indesiderato:i fili vicini interagiscono tra loro, creando un segnale simile a quello di un singolo filo più spesso e distorcendo le misurazioni. Se questo effetto non viene rilevato, la velocità dell'elettrone ottenuta è troppo bassa. Per escludere tale interferenza, il team di ricerca di Dresda ha eseguito una modellazione aggiuntiva e una serie di misurazioni per nanofili con densità diverse.
Prototipi per transistor veloci
Le tendenze della microelettronica e dell'industria dei semiconduttori richiedono sempre più transistor più piccoli che commutano sempre più velocemente. Gli esperti prevedono che nei prossimi anni nuovi concetti di nanofili per transistor faranno breccia anche nella produzione industriale. Lo sviluppo raggiunto a Dresda è particolarmente promettente per i transistor ultraveloci. Il prossimo passo dei ricercatori sarà quello di sviluppare i primi prototipi basati sui nanofili studiati e di testarne l'idoneità all'uso. Per fare ciò, intendono applicare, testare e migliorare i contatti metallici sui nanofili, nonché testare il drogaggio dei nanofili con silicio e ottimizzare i processi di produzione.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications . + Esplora ulteriormente
