Des puces plus petites, des ordinateurs plus rapides, moins de consommation d'énergie. De nouveaux concepts basés sur des nanofils semi-conducteurs devraient rendre les transistors des circuits microélectroniques meilleurs et plus efficaces. La mobilité des électrons joue un rôle clé à cet égard :plus les électrons peuvent accélérer rapidement dans ces fils minuscules, plus un transistor peut commuter rapidement et moins il nécessite d'énergie. Une équipe de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de la TU Dresden et du NaMLab a maintenant réussi à démontrer expérimentalement que la mobilité des électrons dans les nanofils est remarquablement améliorée lorsque la coque place le noyau du fil sous contrainte de traction. Ce phénomène offre de nouvelles opportunités pour le développement de transistors ultrarapides.

Les nanofils ont une propriété unique :ces fils ultra-fins peuvent supporter des contraintes élastiques très élevées sans endommager la structure cristalline du matériau. Et pourtant, les matériaux eux-mêmes ne sont pas inhabituels. L'arséniure de gallium, par exemple, est largement utilisé dans la fabrication industrielle et est connu pour avoir une mobilité électronique intrinsèque élevée.

La tension crée la vitesse

Pour améliorer encore cette mobilité, les chercheurs de Dresde ont produit des nanofils constitués d'un noyau d'arséniure de gallium et d'une enveloppe d'arséniure d'indium et d'aluminium. Les différents ingrédients chimiques se traduisent par des structures cristallines dans la coque et le noyau ayant des espacements de réseau légèrement différents. Cela amène la coque à exercer une contrainte mécanique élevée sur le noyau beaucoup plus mince. L'arséniure de gallium dans le noyau modifie ses propriétés électroniques. "Nous influençons la masse effective des électrons dans le noyau. Les électrons deviennent plus légers, pour ainsi dire, ce qui les rend plus mobiles", a expliqué le Dr Emmanouil Dimakis, scientifique à l'Institut de recherche sur la physique des faisceaux ioniques et les matériaux de l'HZDR et initiateur de la étude récemment publiée.

Ce qui a commencé comme une prédiction théorique a maintenant été prouvé expérimentalement par les chercheurs dans l'étude récemment publiée. "Nous savions que les électrons du noyau devaient être encore plus mobiles dans la structure cristalline contrainte par la traction. Mais ce que nous ne savions pas, c'était dans quelle mesure la coque du fil affecterait la mobilité des électrons dans le noyau. Le noyau est extrêmement mince , permettant aux électrons d'interagir avec la coquille et d'être diffusés par elle », a fait remarquer Dimakis. Une série de mesures et de tests a démontré cet effet :malgré l'interaction avec la coque, les électrons dans le noyau des fils étudiés se déplaçaient environ trente pour cent plus rapidement à température ambiante que les électrons dans des nanofils comparables qui étaient sans contrainte ou dans de l'arséniure de gallium en vrac. /P>

Révéler le noyau

Les chercheurs ont mesuré la mobilité des électrons en appliquant la spectroscopie optique sans contact :à l'aide d'une impulsion laser optique, ils ont libéré des électrons à l'intérieur du matériau. Les scientifiques ont sélectionné l'énergie des impulsions lumineuses de sorte que la coque semble pratiquement transparente à la lumière et que les électrons libres ne soient produits que dans le noyau du fil. Des impulsions térahertz haute fréquence ultérieures ont fait osciller les électrons libres. "Nous donnons pratiquement un coup de pied aux électrons et ils commencent à osciller dans le fil", a expliqué le PD Dr Alexej Pashkin, qui a optimisé les mesures pour tester les nanofils cœur-coquille à l'étude en collaboration avec son équipe du HZDR.

La comparaison des résultats avec des modèles révèle comment les électrons se déplacent :plus leur vitesse est élevée et moins ils rencontrent d'obstacles, plus l'oscillation dure longtemps. "C'est en fait une technique standard. Mais cette fois, nous n'avons pas mesuré l'ensemble du fil - comprenant le noyau et la coque - mais seulement le petit noyau. C'était un nouveau défi pour nous. Le noyau représente environ un pour cent du matériau . En d'autres termes, nous excitons environ cent fois moins d'électrons et obtenons un signal cent fois plus faible", a déclaré Pashkin.

Par conséquent, le choix de l'échantillon était également une étape critique. Un échantillon typique contient en moyenne environ 20 000 à 100 000 nanofils sur un morceau de substrat mesurant environ un millimètre carré. Si les fils sont encore plus rapprochés sur l'échantillon, un effet indésirable peut se produire :les fils voisins interagissent les uns avec les autres, créant un signal similaire à celui d'un seul fil plus épais et déformant les mesures. Si cet effet n'est pas détecté, la vitesse électronique obtenue est trop faible. Pour exclure de telles interférences, l'équipe de recherche de Dresde a effectué une modélisation supplémentaire ainsi qu'une série de mesures pour des nanofils de différentes densités.

Prototypes de transistors rapides

Les tendances de la microélectronique et de l'industrie des semi-conducteurs exigent de plus en plus des transistors plus petits qui commutent toujours plus rapidement. Les experts prévoient que de nouveaux concepts de nanofils pour les transistors feront également leur entrée dans la production industrielle au cours des prochaines années. Le développement réalisé à Dresde est particulièrement prometteur pour les transistors ultra-rapides. La prochaine étape pour les chercheurs sera de développer les premiers prototypes à partir des nanofils étudiés et de tester leur aptitude à l'emploi. Pour ce faire, ils prévoient d'appliquer, de tester et d'améliorer les contacts métalliques sur les nanofils, ainsi que de tester le dopage des nanofils avec du silicium et d'optimiser les procédés de fabrication.

La recherche a été publiée dans Nature Communications . + Explorer plus loin

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