Een onderzoeksgroep onder leiding van Naoki Fukata, Internationaal Centrum voor Materialen Nanoarchitectonics, Nationaal Instituut voor Materiaalkunde (NIMS), en een onderzoeksgroep aan het Georgia Institute of Technology hebben samen een dubbellaagse nanodraad ontwikkeld, bestaande uit een kern van germanium (Ge) en een omhulsel van silicium (Si), wat een veelbelovend materiaal is voor hogesnelheidstransistorkanalen. In aanvulling, de groepen bevestigden dat de Si-laag, die was gedoteerd met onzuiverheden, en de Ge-laag, die vervoerders vervoert, waren niet vermengd, en dat dragers werden gegenereerd in de Ge-laag. Deze resultaten suggereren dat de nieuwe nanodraad de verstrooiing van onzuiverheden effectief kan onderdrukken, wat een probleem was met conventionele nanodraden, daarmee een grote stap gezet in de richting van de realisatie van een high-speed transistor van de volgende generatie.

Wat betreft de ontwikkeling van tweedimensionale metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren (MOSFET's), die nu veel worden gebruikt, er werd op gewezen dat pogingen om de MOSFET te miniaturiseren met behulp van conventionele technologie de limiet hadden bereikt. Om dit probleem aan te pakken, de ontwikkeling van een driedimensionale verticale transistor, in plaats van een tweedimensionale transistor, werd voorgesteld als een nieuwe benadering om een ​​hoge integratie te realiseren (Figuur 1). Het gebruik van halfgeleidende nanodraden als kanalen - het meest vitale onderdeel van de 3D-transistor - was gesuggereerd. Echter, er was een probleem met deze methode:in nanodraden met een diameter van minder dan 20 nm, onzuiverheden die in de nanodraden zijn gedoteerd om dragers te genereren, zorgden ervoor dat de dragers zich verspreidden, wat op zijn beurt hun mobiliteit verminderde.

Door nanodraden te ontwikkelen bestaande uit een Ge-kern en een Si-schil, de onderzoeksgroepen zijn erin geslaagd kanalen met een hoge mobiliteit te creëren die in staat zijn om met onzuiverheden gedoteerde regio's te scheiden van transportregio's voor vervoerders, waardoor verstrooiing van onzuiverheden wordt onderdrukt. De groepen hebben ook met succes de prestaties van de kanalen geverifieerd. Dragers worden gegenereerd in de Si-schaal van de nanodraden, verspreid in de Ge-kern, en bewegen in de kern. Omdat de mobiliteit van dragers hoger is in de Ge-laag dan in de Si-laag, deze nanodraadstructuur verhoogt de mobiliteit van de drager. In aanvulling, deze structuur onderdrukt ook het effect van oppervlakteverstrooiing, die vaak voorkomt in conventionele nanodraden. Verder, de groepen hebben geverifieerd dat de concentratie van dragers kan worden gecontroleerd door de hoeveelheid doping.

Omdat de creatie van de kern-schaalstructuur alleen eenvoudige grondstoffen vereist:silicium en germanium, het is haalbaar om de nanobuisjes tegen lage kosten te vervaardigen. In toekomstige studies, we zijn van plan om apparaten daadwerkelijk te bouwen met behulp van de kern-schaalstructuur, en hun potentieel als hogesnelheidsapparaten te beoordelen door hun kenmerken en prestaties te evalueren.

Deze studie werd uitgevoerd als onderdeel van het onderzoeksproject getiteld "Control of carrier transport by position-controlled doping of core-shell heterojunction nanowires" (Naoki Fukata, hoofdonderzoeker) gefinancierd door de Japan Society for the Promotion of Science's Grants-in-Aid for Scientific Research (A)-programma, en het NIMS 3e Mid-Term Program-project over chemische nanotechnologie. De studie is gepubliceerd in de online versie van: ACS NANO op 11 november, 2015.