Er is goed nieuws in de zoektocht naar de volgende generatie halfgeleiders. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en de University of California Berkeley, hebben met succes ultradunne lagen van het halfgeleiderindiumarsenide op een siliciumsubstraat geïntegreerd om een ​​transistor op nanoschaal met uitstekende elektronische eigenschappen te creëren. Een lid van de III-V-familie van halfgeleiders, indiumarsenide biedt verschillende voordelen als alternatief voor silicium, waaronder superieure elektronenmobiliteit en snelheid, waardoor het een uitstekende kandidaat is voor toekomstige low-power, elektronische apparaten met hoge snelheid.

"We hebben een eenvoudige route laten zien voor de heterogene integratie van indiumarsenidelagen tot een dikte van 10 nanometer op siliciumsubstraten, " zegt Ali Javey, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan UC Berkeley, die dit onderzoek leidde.

"De apparaten die we vervolgens maakten, bleken te werken in de buurt van de verwachte prestatielimieten van III-V-apparaten met minimale lekstroom. Onze apparaten vertoonden ook superieure prestaties in termen van stroomdichtheid en transconductantie in vergelijking met siliciumtransistors van vergelijkbare afmetingen."

Voor al zijn wonderbaarlijke elektronische eigenschappen, silicium heeft beperkingen die hebben geleid tot een intense zoektocht naar alternatieve halfgeleiders die in toekomstige apparaten kunnen worden gebruikt. Javey en zijn onderzoeksgroep hebben zich gericht op samengestelde III-V halfgeleiders, met uitstekende elektronentransporteigenschappen. De uitdaging was om een ​​manier te vinden om deze samengestelde halfgeleiders in te pluggen in de gevestigde, goedkope verwerkingstechnologie die wordt gebruikt om de huidige op silicium gebaseerde apparaten te produceren. Gezien de grote roostermismatch tussen silicium en III-V samengestelde halfgeleiders, directe hetero-epitaxiale groei van III-V op siliciumsubstraten is uitdagend en complex, en resulteert vaak in een groot aantal defecten.

"We hebben aangetoond wat we een 'XOI' noemen, ' of samengesteld halfgeleider-op-isolator technologieplatform, die parallel loopt aan de huidige 'SOI, ' of silicium-op-isolator platform, "zegt Javey. "Met behulp van een epitaxiale overdrachtsmethode, we brachten ultradunne lagen eenkristal indiumarsenide over op silicium/silicasubstraten, vervolgens vervaardigde apparaten met behulp van conventionele verwerkingstechnieken om het XOI-materiaal en de apparaateigenschappen te karakteriseren."

De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur, in een paper getiteld, "Ultradunne samengestelde halfgeleider op isolatorlagen voor hoogwaardige transistors op nanoschaal." Co-auteur van het rapport met Javey waren Hyunhyub Ko, Kuniharu Takei, Rehan Kapadia, Steven Chuang, Hui Fang, Paul Leu, Kartik Ganapathi, Elena Plis, Ha Sul Kim, Szu-Ying Chen, Morten Madsen, Alexandra Ford, Yu-Lun Chueh, Sanjay Krishna en Sayeef Salahuddin.

Om hun XOI-platforms te maken, Javey en zijn medewerkers groeiden dunne films van indiumarsenide met één kristal (10 tot 100 nanometer dik) op een voorlopig bronsubstraat en vormden vervolgens lithografisch patroon van de films in geordende arrays van nanolinten. Na te zijn verwijderd van het bronsubstraat door middel van een selectieve natetsing van een onderliggende opofferingslaag, de nanoribbon-arrays werden via een stempelproces overgebracht naar het silicium/silica-substraat.

Javey schreef de uitstekende elektronische prestaties van de XOI-transistors toe aan de kleine afmetingen van de actieve "X" -laag en de cruciale rol die wordt gespeeld door kwantumopsluiting, die diende om de bandstructuur en transporteigenschappen van het materiaal af te stemmen. Hoewel hij en zijn groep alleen indiumarsenide als hun samengestelde halfgeleider gebruikten, de technologie zou ook gemakkelijk andere samengestelde III/V-halfgeleiders moeten accommoderen.

"Toekomstig onderzoek naar de schaalbaarheid van ons proces voor 8-inch en 12-inch waferverwerking is nodig, ' zei Javey.

"In de toekomst zijn we van mening dat de XOI-substraten kunnen worden verkregen door middel van een waferbindingsproces, maar onze techniek zou het mogelijk moeten maken om zowel p- als n-type transistors op dezelfde chip te fabriceren voor complementaire elektronica op basis van optimale III-V-halfgeleiders.

"Verder, dit concept kan worden gebruikt om hoogwaardige fotodiodes direct te integreren, lasers, en lichtemitterende diodes op conventionele siliciumsubstraten. uniek, deze techniek zou ons in staat kunnen stellen om de fundamentele materiaaleigenschappen van anorganische halfgeleiders te bestuderen wanneer de dikte wordt verkleind tot slechts enkele atomaire lagen."