Het uitrekken van een laag silicium kan interne mechanische spanning opbouwen die de elektronische eigenschappen aanzienlijk kan verbeteren. Met gespannen silicium, men kan, bijvoorbeeld, snellere en minder stroomverbruikende microprocessors bouwen.

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut en de ETH Zürich hebben een methode ontwikkeld waarmee ze 30 nanometer dikke hooggespannen draden in een siliciumlaag kunnen maken. Deze spanning is de hoogste die ooit is waargenomen in een materiaal dat als basis kan dienen voor elektronische componenten. Het doel is om op basis van dergelijke draden krachtige en energiezuinige transistors voor microprocessors te produceren. Als uitgangspunt, de methode maakt gebruik van een substraat met een siliciumlaag die al onder lage spanning staat. Door selectief het omringende materiaal weg te etsen, in de siliciumlaag ontstaat een dunne draad die als een bruggetje over een kloof hangt, met de hoogste soort geconcentreerd op het smalste punt. De onderzoekers rapporteren hun resultaten in het laatste nummer van het online tijdschrift Natuurcommunicatie .

Er zijn beperkte mogelijkheden om de efficiëntie van microprocessors op basis van siliciumtechnologie te verhogen door de grootte van individuele bouwelementen te verkleinen. Maar er zijn andere veelbelovende manieren, die tot op zekere hoogte al door de industrie worden gebruikt, zoals het uitrekken of comprimeren van silicium, waardoor mechanische spanning wordt gecreëerd die helpt om de elektronische eigenschappen van het materiaal te verbeteren. Bijvoorbeeld, spanning in de juiste richting verhoogt de mobiliteit van elektronen aanzienlijk, waardoor transistoren veel sneller schakelen tussen elementen. "Er zit eigenlijk geen magie achter het opbouwen van spanning in een draad - je moet gewoon krachtig aan beide uiteinden trekken", legt Hans Sigg van het Laboratorium voor Micro- en Nanotechnologie van het Paul Scherrer Instituut uit. "De uitdaging is om zo'n draad in een gespannen toestand te implementeren in een elektronische component."

30 nm brede Silicon Bridge

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut hebben nu een methode ontwikkeld om siliciumdraden te maken die nauw verbonden zijn met hun omringende materiaal en onder een spanning staan ​​die meer dan twee keer zo hoog is als die van hedendaagse componenten. Als het oorspronkelijke materiaal, ze hebben een industrieel geproduceerd substraat gebruikt met een licht gespannen siliciumlaag die op een begraven siliciumoxidelaag is bevestigd. "Het was belangrijk voor ons om te laten zien dat onze methode compatibel is met de fabricagemethoden en materialen van de industrie", zegt Hans Sigg. "Je kunt je voorstellen dat het materiaal alle kanten op wordt getrokken voordat het aan de oxide-onderlaag wordt gehecht", legt Renato Minamisawa van het Paul Scherrer Instituut uit, die de experimenten samen met Martin Süess van de ETH Zürich uitvoerde. "Het substraat houdt de laag dan op zijn plaats zodat deze niet meer kan samentrekken."

In het proces, slim gekozen delen van de siliciumlaag en de oxide-sublaag worden verwijderd door de respectievelijke etsmiddelen, om van de siliciumlaag een dunne draad te maken – 30 nanometer breed en 15 nanometer dik – die alleen aan de eindpunten aan de rest van het materiaal wordt bevestigd. De methode is exemplarisch voor de mogelijkheden van moderne nanotechnologie. Op deze manier, duizenden van dergelijke draden kunnen nauwkeurig worden geproduceerd in een goed gedefinieerde stresstoestand. De methode is dus zeer betrouwbaar. "En het is zelfs schaalbaar, wat betekent dat de draden zo klein kunnen worden gefabriceerd als u wilt", Sigg wijst erop.

Snellere transistoren door hoge spanningen

"Omdat alle kracht die vóór het etsen over een groter gebied werd verdeeld, zich nu in de draad moet concentreren, daarbinnen ontstaat een hoge spanning", zegt Minamisawa, "de sterkste spanning ooit gegenereerd in silicium; waarschijnlijk zelfs de sterkste die verkrijgbaar is voordat het materiaal breekt." Raman-spectroscopie en computersimulatie werden uitgevoerd in het Laboratorium voor Nanometallurgie onder Ralph Spolenak van de ETH, om de spanningsverdeling in detail te meten. In de toekomst, dergelijke draden zullen ook worden bestudeerd bij de Swiss Light Source (SLS) aan het Paul Scherrer Institute. Het doel van dergelijke experimenten zal vooral zijn om vast te stellen in hoeverre de elektronische eigenschappen van het materiaal zijn veranderd.

Het uiteindelijke doel zou zijn om deze silicium nanodraden te gebruiken als snelle transistors in microprocessors. Om dit te behalen, gaan de onderzoekers nu onderzoeken, met partner, hoe deze draden in een transistorstructuur in te bedden. Met dat doel, de draden moeten "gedoteerd" zijn, d.w.z. voorzien van kleine hoeveelheden atomen van andere elementen, "verpakt" in een dun oxide en voorzien van metalen contacten. "Maar ook als ze niet in micro-elektronische toepassingen terechtkomen, ons onderzoek zou kunnen aantonen wat de grenzen van siliciumelektronica werkelijk zijn, " legt Minamisawa uit.