Un groupe de recherche dirigé par Naoki Fukata, Centre International de Nanoarchitectonique des Matériaux, Institut national des sciences des matériaux (NIMS), et un groupe de recherche du Georgia Institute of Technology ont développé conjointement un nanofil à double couche, constitué d'un noyau en germanium (Ge) et d'une enveloppe en silicium (Si), qui est un matériau prometteur pour les canaux de transistors à grande vitesse. En outre, les groupes ont vérifié que la couche de Si, qui était dopé avec des impuretés, et la couche Ge, qui transporte des transporteurs, n'étaient pas mélangés, et que des porteurs ont été générés dans la couche Ge. Ces résultats suggèrent que le nouveau nanofil peut supprimer efficacement la diffusion des impuretés, qui avait posé problème avec les nanofils conventionnels, franchissant ainsi une étape majeure vers la réalisation d'un transistor à grande vitesse de nouvelle génération.

Concernant le développement de transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur bidimensionnels (MOSFET), qui sont maintenant largement utilisés, il a été souligné que les efforts visant à miniaturiser le MOSFET à l'aide de la technologie conventionnelle avaient atteint leurs limites. Pour traiter ce problème, le développement d'un transistor vertical tridimensionnel, au lieu d'un transistor bidimensionnel, a été proposé comme une nouvelle approche pour réaliser une intégration élevée (Figure 1). L'utilisation de nanofils semi-conducteurs comme canaux - la partie la plus vitale du transistor 3-D - avait été suggérée. Cependant, il y avait un problème avec cette méthode :dans les nanofils de diamètre inférieur à 20 nm, les impuretés dopées dans les nanofils pour générer des porteurs ont provoqué la dispersion des porteurs, ce qui à son tour a diminué leur mobilité.

En développant des nanofils constitués d'un cœur en Ge et d'une coque en Si, les groupes de recherche ont réussi à créer des canaux à haute mobilité capables de séparer les régions dopées en impuretés des régions de transport de porteurs, supprimant ainsi la diffusion des impuretés. Les groupes ont également vérifié avec succès les performances des chaînes. Des porteurs sont générés dans la couche de Si des nanofils, se propager dans le noyau Ge, et se déplacer dans le noyau. Parce que la mobilité des porteurs est plus élevée dans la couche Ge que dans la couche Si, cette structure de nanofils augmente la mobilité des porteurs. En outre, cette structure supprime également l'effet de la diffusion de surface, qui se produit couramment dans les nanofils conventionnels. Par ailleurs, les groupes ont vérifié que la concentration de porteurs peut être contrôlée par la quantité de dopage.

Parce que la création de la structure cœur-coquille ne nécessite que des matières premières simples :silicium et germanium, il est possible de fabriquer les nanotubes à faible coût. Dans les études futures, nous prévoyons de construire des dispositifs utilisant la structure core-shell, et évaluer leur potentiel en tant qu'appareils à grande vitesse en évaluant leurs caractéristiques et leurs performances.

Cette étude a été menée dans le cadre du projet de recherche intitulé « Control of carrier transport by position-Controlled doping of core-shell heterojunction nanowires » (Naoki Fukata, chercheur principal) financé par le programme de subventions d'aide à la recherche scientifique (A) de la Japan Society for the Promotion of Science, et le projet NIMS 3rd Mid-Term Program sur la nanotechnologie chimique. L'étude a été publiée dans la version en ligne de ACS NANO le 11 novembre 2015.