Une version simplifiée de la figure 1.(a) de l'article des chercheurs. Légende :Lorsqu'un champ électrique (E ⃗) est incident à l'interface (ligne noire) entre deux matériaux (régions bleue et verte) avec des valeurs de permittivité distinctes (κ_1 et κ_2), une charge liée à la surface (σ_b) se forme sur cette interface. Crédit :Prentki et al.
Dans les années récentes, les physiciens et les ingénieurs en électronique ont essayé d'identifier les matériaux qui pourraient être utilisés pour fabriquer de nouveaux types d'appareils électroniques. Les matériaux à une dimension (1-D) et à deux dimensions (2-D) se sont avérés avoir des caractéristiques particulièrement avantageuses, notamment pour le développement de nouvelles générations de nanoélectronique (composants électroniques à l'échelle nano).
De tels matériaux 1D et 2D, comme le graphène, disulfure de molybdène monocouche, nanofils et nanofeuilles de silicium, pourrait également jouer un rôle crucial dans l'industrie des semi-conducteurs, car ils pourraient aider à développer des transistors de plus en plus petits. Les transistors sont les éléments de base de nombreux appareils électroniques modernes, qui peut stocker et contrôler des bits d'informations binaires (c'est-à-dire, des zéros et des uns).
Malgré leurs avantages bien documentés, les matériaux émergents de faible dimension peuvent avoir une quantité relativement faible de charges dites gratuites par rapport aux matériaux 3D. Dans le cadre des composants électroniques, une charge gratuite est un électron ou un trou (c'est-à-dire, absence d'électron dans un réseau atomique qui agit comme un électron chargé positivement) qui n'est pas étroitement lié au réseau atomique et est donc capable de se déplacer librement dans un matériau en réponse aux champs externes et aux tensions appliquées. Les frais gratuits ont un certain nombre de fonctions importantes, dont l'un est leur contribution à ce que l'on appelle l'effet de filtrage.
En réalité, les charges gratuites peuvent se redistribuer pour créer des profils de potentiel électrique nets dans les matériaux et les appareils, y compris dans les transistors. Par conséquent, plus le nombre de charges gratuites que possède le matériel est élevé, plus le potentiel électrique résultant est aigu. Cette fonction particulière est particulièrement cruciale pour le développement des transistors à effet de champ tunnel, qui reposent fortement sur l'effet tunnel quantique des électrons à travers les jonctions.
Des chercheurs de l'Université McGill et de NanoAcademic Technologies ont récemment identifié une stratégie qui pourrait compenser le manque de charges libres observé dans les matériaux 1-D et 2-D. Dans leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , ils ont proposé l'utilisation de cette stratégie, qui est basé sur l'ingénierie des charges liées, pour développer des transistors à nanofils de silicium.
Image de l'un des nanofils de silicium que Prentki a simulé dans son travail. Chaque sphère représente un atome de silicium, et chaque barre représente une liaison atomique entre deux atomes de silicium voisins. Crédit :Prentki et al.
"Le transistor à effet de champ tunnel a des dissipations de puissance beaucoup plus faibles que les transistors conventionnels, ce qui en fait un candidat prometteur pour l'électronique basse consommation, " Raphaël Prentki, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Pour un transistor à effet de champ tunnel avec un potentiel électrique plus aigu à la jonction tunnel, la jonction devient plus traversable, conduisant à une amélioration des performances de l'appareil. Nous avons donc cherché à trouver un moyen de compenser le manque de charges gratuites dans les matériaux de faible dimension."
Il existe deux types de charges dans les matériaux, à savoir les frais libres et liés. Comme leur nom l'indique, les charges libres sont faiblement liées aux noyaux atomiques et libres de se déplacer, ce qui les rend faciles à manipuler avec des champs électriques et des tensions. En revanche, les charges liées sont étroitement liées aux noyaux atomiques et ne peuvent se déplacer qu'à l'intérieur des atomes. Bien que ces charges aient été identifiées il y a des centaines d'années, ils ne sont généralement pas pris en compte ou appliqués lors de la conception de transistors ou d'autres dispositifs électroniques.
Dans leur étude, Prentki et ses collègues ont conçu une méthode pour concevoir des charges liées dans les appareils électroniques d'une manière avantageuse. Ils appellent cette stratégie de conception « l'ingénierie des charges liées ».
"Spécifiquement, en utilisant les équations de Maxwell, on peut montrer que lorsqu'un champ électrique traverse l'interface entre deux matériaux, formulaires de charge liés sur cette interface, " dit Prentki. " De plus, la quantité de charge liée est proportionnelle à l'amplitude du champ électrique, ainsi que la différence entre les permittivités des deux matériaux. La permittivité est une propriété matérielle qui quantifie à quel point un matériau se polarise en réponse à un champ électrique externe."
Prentki et ses collègues ont montré que les charges liées à la surface à l'interface entre deux régions d'un dispositif électronique peuvent être contrôlées en ajustant le champ électrique et en choisissant des matériaux avec des valeurs de permittivité appropriées. Pour créer de meilleurs transistors à effet de champ tunnel, les chercheurs proposent d'entourer une partie de la jonction tunnel avec un oxyde de faible permittivité, car cela permet la formation de charges liées. Dans leur papier, ils ont envisagé cette stratégie pour fabriquer un transistor en nanofil de silicium.
Image de l'un des nanofils de silicium que Prentki a simulé dans son travail. Chaque sphère représente un atome de silicium, et chaque barre représente une liaison atomique entre deux atomes de silicium voisins. Crédit :Prentki et al.
Dans les conceptions de transistors de pointe existantes, le nanofil de silicium est entouré d'un oxyde à haute permittivité, comme le dioxyde d'hafnium, ce qui permet une capacité de grille élevée. Prentki et ses collègues, d'autre part, proposer l'idée d'entourer la région du nanofil proche de la jonction tunnel à l'aide de dioxyde de silicium, un isolant dont la permittivité n'est que 3,8 fois supérieure à la permittivité de l'air.
« Dans notre conception, la charge liée à l'interface nanofil-oxyde complète les charges libres dans l'effet d'écran, résultant en une jonction tunnel plus nette, " a déclaré Prentki. " Cela se traduit par un transistor à effet de champ tunnel assisté par charge liée avec un courant à l'état passant plus de 10 fois supérieur à celui des transistors à charge non liée, ce qui pourrait permettre son application pratique dans des dispositifs informatiques à des fréquences d'horloge plus élevées.
Prentki et ses collègues ont montré que l'ingénierie des charges liées peut être utilisée pour contrôler la taille des régions d'appauvrissement à la jonction entre deux régions de transistors à effet de champ. Ceci est particulièrement vrai pour le lieu où la « source » et le « canal, " ou les régions "canal" et "drain" d'un transistor à effet de champ se rencontrent. En d'autres termes, les charges liées peuvent être utilisées pour supporter les charges libres en permettant un effet de blindage plus fort dans les transistors.
"Notre travail introduit une méthode générale pour concevoir des charges liées à notre avantage dans les matériaux et les dispositifs, " Prentki a déclaré. "Ceci est particulièrement utile dans les matériaux émergents unidimensionnels et bidimensionnels. Par exemple, L'ingénierie des charges liées offre des gains de performances significatifs dans les transistors à effet de champ tunnel à nanofils de silicium."
Dans leur récent article, les chercheurs ont prouvé que leur stratégie de contrôle de la taille des régions d'appauvrissement peut être utilisée pour améliorer les performances d'un type spécifique de transistor à effet de champ de faible puissance, à savoir, un transistor à effet de champ tunnel. Dans leurs prochaines études, ils testeront expérimentalement la faisabilité de leur stratégie, en l'utilisant pour réaliser un véritable transistor à effet de champ tunnel.
Image de l'un des nanofils de silicium que Prentki a simulé dans son travail. Chaque sphère représente un atome de silicium, et chaque barre représente une liaison atomique entre deux atomes de silicium voisins. Crédit :Prentki et al.
"Notre enquête était purement basée sur la simulation, " a expliqué Prentki. " Bien que nous ayons utilisé une méthode de simulation de pointe, seulement un solide, la réalisation de l'appareil dans le monde réel peut prouver sans aucun doute que le concept d'ingénierie de charge liée fonctionne vraiment."
En plus de prouver la faisabilité de l'ingénierie des charges liées pour créer des transistors à effet de champ tunnel plus performants à l'aide de nanofils, les chercheurs souhaitent désormais appliquer leur stratégie à d'autres domaines de la nanoélectronique. Par exemple, ils aimeraient tester son efficacité pour la réduction d'échelle de types spécifiques de transistors.
"L'ingénierie des charges liées est une idée très générale établie par les lois fondamentales de l'électromagnétisme, " Prentki a ajouté. " Ainsi, en principe, elle ne se limite pas aux applications dans les domaines de la nanoélectronique et de la conception de transistors. Par conséquent, nous aimerions également appliquer ce concept à d'autres domaines de recherche où la charge liée et le criblage peuvent être importants, comme l'électronique moléculaire, électrochimie et photosynthèse artificielle."
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