Tăng tốc qua dây nano bán dẫn: Cơ sở mới cho bóng bán dẫn cực nhanh

Các dây nano dưới sự căng thẳng tạo ra cơ sở cho các bóng bán dẫn cực nhanh.

Chip nhỏ hơn, máy tính nhanh hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn. Các khái niệm mới lạ dựa trên dây nano bán dẫn được kỳ vọng sẽ làm cho các bóng bán dẫn trong các mạch vi điện tử tốt hơn và hiệu quả hơn. Tính linh động của điện tử đóng một vai trò quan trọng trong việc này: Các điện tử có thể tăng tốc nhanh hơn trong những sợi dây nhỏ bé này, bóng bán dẫn có thể chuyển đổi nhanh hơn và nó càng cần ít năng lượng hơn. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden và NaMLab hiện đã thành công trong việc chứng minh bằng thực nghiệm rằng tính linh động của điện tử trong dây nano được tăng cường đáng kể khi lớp vỏ đặt lõi dây dưới sức căng kéo. Hiện tượng này mang đến những cơ hội mới cho sự phát triển của các bóng bán dẫn siêu nhanh.

Dây nano có một đặc tính độc đáo: Những dây siêu mỏng này có thể chịu được các biến dạng đàn hồi rất cao mà không làm hỏng cấu trúc tinh thể của vật liệu. Và bản thân các vật liệu cũng không có gì lạ. Ví dụ, arsenide gali được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp và được biết là có độ linh động điện tử nội tại cao.

Căng thẳng tạo ra tốc độ

Để tăng cường hơn nữa tính linh động này, các nhà nghiên cứu Dresden đã sản xuất dây nano bao gồm lõi arsenide gali và một vỏ nhôm arsenide indium. Các thành phần hóa học khác nhau dẫn đến cấu trúc tinh thể trong vỏ và lõi có khoảng cách mạng hơi khác nhau. Điều này làm cho lớp vỏ chịu sức căng cơ học cao lên phần lõi mỏng hơn nhiều. Gali arsenide trong lõi thay đổi tính chất điện tử của nó. “Chúng tôi ảnh hưởng đến khối lượng hiệu dụng của các electron trong lõi. Nói cách khác, các electron trở nên nhẹ hơn, điều này làm cho chúng di động hơn, ”Tiến sĩ Emmanouil Dimakis, nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Vật lý và Vật liệu Chùm tia Ion của HZDR, đồng thời là người khởi xướng nghiên cứu được công bố gần đây giải thích.

Những gì ban đầu là một dự đoán lý thuyết nay đã được các nhà nghiên cứu chứng minh bằng thực nghiệm trong một nghiên cứu được công bố gần đây. “Chúng tôi biết rằng các electron trong lõi thậm chí còn phải di động nhiều hơn trong cấu trúc tinh thể chịu kéo. Nhưng những gì chúng ta không biết là mức độ ảnh hưởng của lớp vỏ dây dẫn đến tính linh động của electron trong lõi. Lõi cực kỳ mỏng, cho phép các điện tử tương tác với lớp vỏ và bị phân tán bởi nó, ”Dimakis nhận xét. Một loạt các phép đo và thử nghiệm đã chứng minh hiệu ứng này: Mặc dù có tương tác với vỏ, các điện tử trong lõi của dây được khảo sát chuyển động nhanh hơn khoảng ba mươi phần trăm ở nhiệt độ phòng so với các điện tử trong các dây nano tương đương không biến dạng hoặc ở dạng arsenide gali.

Tiết lộ cốt lõi

Các nhà nghiên cứu đã đo tính linh động của điện tử bằng cách áp dụng quang phổ quang học không tiếp xúc: Sử dụng xung laser quang học, họ đặt các điện tử tự do bên trong vật liệu. Các nhà khoa học đã chọn năng lượng xung ánh sáng sao cho lớp vỏ thực tế trong suốt với ánh sáng, và các điện tử tự do chỉ được tạo ra trong lõi dây. Các xung terahertz tần số cao tiếp theo làm cho các electron tự do dao động. “Thực tế chúng tôi tạo ra một cú hích cho các electron và chúng bắt đầu dao động trong dây,” PD Tiến sĩ Alexej Pashkin giải thích, người đã tối ưu hóa các phép đo để kiểm tra các dây nano vỏ lõi đang được điều tra cùng với nhóm của ông tại HZDR.

So sánh kết quả với các mô hình cho thấy các electron chuyển động như thế nào: Tốc độ của chúng càng cao và càng gặp ít chướng ngại vật thì dao động càng kéo dài. “Đây thực sự là một kỹ thuật tiêu chuẩn. Nhưng lần này chúng tôi không đo toàn bộ dây – bao gồm lõi và vỏ – mà chỉ đo lõi nhỏ. Đây là một thách thức mới đối với chúng tôi. Phần lõi chiếm khoảng một phần trăm vật liệu. Nói cách khác, chúng tôi kích thích electron ít hơn một trăm lần và nhận được tín hiệu yếu hơn một trăm lần, ”Pashkin nói.

Do đó, việc chọn mẫu cũng là một bước quan trọng. Một mẫu điển hình chứa trung bình khoảng 20.000 đến 100.000 dây nano trên một miếng đế có kích thước khoảng một milimét vuông. Nếu các dây được đặt gần nhau hơn trên mẫu, có thể xảy ra hiệu ứng không mong muốn: Các dây lân cận tương tác với nhau, tạo ra tín hiệu tương tự như tín hiệu của một dây đơn, dày hơn và làm sai lệch các phép đo. Nếu hiệu ứng này không được phát hiện, vận tốc electron thu được là quá thấp. Để loại trừ sự can thiệp như vậy, nhóm nghiên cứu Dresden đã tiến hành mô hình bổ sung cũng như một loạt phép đo cho các dây nano có mật độ khác nhau.

Nguyên mẫu cho bóng bán dẫn nhanh

Xu hướng trong vi điện tử và ngành công nghiệp bán dẫn ngày càng đòi hỏi các bóng bán dẫn nhỏ hơn, chuyển đổi nhanh hơn bao giờ hết. Các chuyên gia dự đoán rằng các khái niệm dây nano mới cho bóng bán dẫn cũng sẽ được đưa vào sản xuất công nghiệp trong vài năm tới. Sự phát triển đạt được ở Dresden đặc biệt hứa hẹn đối với các bóng bán dẫn cực nhanh. Bước tiếp theo của các nhà nghiên cứu sẽ là phát triển các nguyên mẫu đầu tiên dựa trên các dây nano đã được nghiên cứu và kiểm tra tính phù hợp để sử dụng của chúng. Để làm được điều này, họ dự định áp dụng, thử nghiệm và tăng cường các tiếp xúc kim loại trên các dây nano, cũng như thử nghiệm sự pha tạp của dây nano với silicon và tối ưu hóa các quy trình sản xuất.

Tham khảo: “Tính linh động điện tử cao trong dây nano GaAs căng thẳng” của Leila Balaghi, Si Shan, Ivan Fotev, Finn Moebus, Rakesh Rana, Tommaso Venanzi, René Hübner, Thomas Mikolajick, Harald Schneider, Manfred Helm, Alexej Pashkin và Emmanouil Dimakis, ngày 17 tháng 11 2021, Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-021-27006-z

Theo Scitechdaily