Une équipe de chercheurs collaborant avec le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la TU Dresden et le NaMLab a démontré une mobilité électronique considérablement améliorée dans les nanofils lorsque ceux-ci sont soumis à une contrainte de traction. Une mesure importante pour les performances des transistors, la mobilité électronique accrue devrait fournir des améliorations significatives en termes de performances, d’efficacité thermique et d’efficacité énergétique qui pourraient débloquer des transistors encore plus rapides pour les futures puces.
Fondamentalement, la recherche travaille sur des matériaux bien connus dans l’espace des semi-conducteurs : la recherche s’est concentrée sur les structures de nanofils d’arséniure de gallium, un composé déjà largement utilisé dans la fabrication industrielle et connu pour avoir une mobilité électronique intrinsèque élevée. La recherche, publiée sur Nature, tire parti d’une propriété unique des conceptions de transistors à base de nanofils, en ce sens qu’ils peuvent être soumis à d’énormes quantités de contraintes élastiques sans que leur structure atomique ne soit endommagée.
« 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 physique des faisceaux ioniques et de recherche sur les matériaux de l’HZDR. « Nous savions que les électrons du noyau devraient être encore plus mobiles dans la structure cristalline contrainte par la traction », il a continué. « 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 coque et d’être dispersés par elle. »
L’équipe y est parvenue en enveloppant les noyaux de nanofils d’arséniure de gallium dans une coque d’arséniure d’indium et d’aluminium. En raison de sa disposition atomique différente, la coquille impose une contrainte élastique aux noyaux. La recherche prouve que ces niveaux plus élevés de contrainte élastique appliquée sur le cœur des nanofils d’arséniure de gallium peuvent améliorer la mobilité des électrons d’au moins 30 % par rapport aux solutions traditionnelles d’arséniure de gallium sans contrainte ou en vrac (qu’Intel lui-même a déjà explorées). Les chercheurs théorisent que leur conception de nanofils pourrait même débloquer une amélioration de 50 % de la mobilité des électrons, renforçant ainsi les avantages de leur conception. Il semble que la tension n’accélère pas seulement les changements chez les humains.
La recherche sur les matériaux et la conception abonde dans l’industrie des semi-conducteurs, avec plusieurs équipes de spécialistes de l’industrie et de la recherche qui se battent pour des conceptions plus efficaces, performantes et évolutives dans cet espace ultracompétitif. Alors que les exigences de performance poussent les technologies existantes à leurs limites, la recherche se concentre de plus en plus sur des solutions plus exotiques. Ceux-ci doivent être équilibrés pour la disponibilité des ressources et le coût (deux des raisons pour lesquelles le silicium est le matériau de choix actuel) ainsi que la compatibilité avec les outils et techniques de fabrication existants, afin de réduire les investissements de plusieurs milliards de dollars requis pour les technologies de pointe. installations de fabrication.
L’équipe cherche maintenant à développer les premières conceptions de prototypes fonctionnels découlant de leurs recherches. Ils prévoient maintenant d’optimiser les tailles et le pas des nanofils, ainsi que les effets du dopage (en ajoutant des éléments supplémentaires, tels que le silicium, aux composés) dans la recherche de cette amélioration de 50 % de la mobilité des électrons qu’ils ont déjà théorisée.