GHz-2D-Transistoren Ultraschnelle Transistoren mit Nanodrähten unter Zug

Von Kristin Rinortner

Neue Konzepte auf der Basis von „gespannten“ Halbleiter-Nanodrähten sollen Transistoren in Schaltkreisen besser und effizienter machen. Einem Forschungsteam ist nun der experimentelle Nachweis gelungen, dass die Elektronenbeweglichkeit in Nanodrähten deutlich steigt, wenn die Hülle den Drahtkern unter Spannung setzt. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für ultraschnelle Transistoren.

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GHz-Transistoren: Ultraschnelle Transistoren basieren auf schnellen Elektronen. Die hohe Beweglichkeit der Teilchen im stark gespannten Kern von Halbleiter-Nanodrähten lässt sich per Terahertz-Laser nachweisen.
GHz-Transistoren: Ultraschnelle Transistoren basieren auf schnellen Elektronen. Die hohe Beweglichkeit der Teilchen im stark gespannten Kern von Halbleiter-Nanodrähten lässt sich per Terahertz-Laser nachweisen.
(Bild: HZDR/Juniks)

Viele Transistoren, die auf eine weitere Miniaturisierung, schnellere Schaltvorgänge, einen geringeren Stromverbrauch oder Anwendungen für den Quantentransport abzielen, basieren auf Nanodrähten oder Nanofolien (Nanosheets). Verschiedene FET-Konzepte wie herkömmliche inverse MOSFETs, Junctionless FETs, Schottky-Barrieren-FETs, Tunnel-FETs oder modultionsdotierte FETs profitieren von einem derartigen „Gate-all-around“.

Darüber hinaus bieten sehr dünne oder heterostrukturierte Nanodrähte mit einer Kern-Schale-Struktur einen räumlich begrenzten Ladungsträgerbereich, in dem ein eindimensionaler Ladungsträgertransport möglich ist. Alle genannten Bauelemente haben auch das Potenzial für eine monolithische Integration in gängige CMOS-Verfahren oder künftige Technologien, die auf neu entwickelten 2D-Materialien basieren.

Aufgrund der hohen Elektronenmobilität in III-V-Halbleitern wie GaAs ist diese Materialklasse der ideale Kandidat für Hochgeschwindigkeits-Logik- und Hochfrequenzanwendungen mit geringer Leistung. Allerdings wird die Mobilität der Ladungsträger durch Elektronenstreuung an der Grenzfläche des Nanodrahtes gehemmt. Das bedeutet, je dünner die Nanodrähte sind, desto geringer ist die Elektronenmobilität.

Um diese Streuung zu verringern, werden die Nanodrähte (der Kern) mit einer dickeren, gitterangepassten Schale aus einem Halbleiter mit einer größeren Bandlücke überzogen. Mit diesem Ansatz werden Elektronenbeweglichkeiten für GaAs-Drähte erreicht, die nahe an den Werten des Festkörpers liegen.

Wird die Gitterfehlpassung zwischen Schale und Kern vergrößert, lässt sich der wenige µm lange Kern hydrostatisch in allen drei Raumrichtungen spannen, was bemerkenswerte Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften hat, da die Elektronenbeweglichkeit in Nanodrähten deutlich steigt, wenn die Hülle den Drahtkern unter Spannung setzt.

„Gespannte“ Nanodrähte für schnelle Transistoren

Einem Forscherteam des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der TU Dresden und der NaMLab gGmbH ist dieser experimentelle Nachweis nun gelungen: Bei einer Dehnung GaAs-Kern von bis zu 7 Prozent verringert sich die Bandlücke von GaAs von ihrem ungedehnten Wert von 1,42 eV bei 300 K auf 0,87 eV. Das entspricht einer Verringerung um 40 Prozent.

Dazu fertigte das Dresdner Team Nanodrähte aus einem Galliumarsenid-Kern und einer Hülle aus Indium-Aluminiumarsenid. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten der beiden Halbleiter übt die Hülle eine Spannung auf den Kern aus. Das Galliumarsenid im Kern verändert infolge dessen seine elektronischen Eigenschaften.

„Wir beeinflussen die effektive Masse der Elektronen im Kern. Die Elektronen werden quasi leichter und sind dadurch beweglicher“, erläutert Dr. Emmanouil Dimakis, Wissenschaftler am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung sowie Initiator der jetzt veröffentlichten Studie in Nature Communications.

Anfangs war dies noch eine theoretische Vorhersage. „Wir wussten, dass die Elektronen in der gespannten Kristallstruktur im Kern noch beweglicher sein sollten. Offen war aber die Frage, wie sehr die Hülle der Drähte die Elektronenbewegung im Kern stört. Der Kern ist extrem dünn, so dass die Elektronen mit der Hülle wechselwirken und an dieser gestreut werden können“, so Dimakis.

Eine Serie von Messungen und Tests belegte diesen Effekt: Trotz Wechselwirkung mit der Hülle bewegten sich Elektronen im Kern der untersuchten Drähte bei Raumtemperatur etwa dreißig Prozent schneller als in vergleichbaren Nanodrähten ohne Verspannung oder Dünnschicht-Materialien aus Galliumarsenid.

„Gespannte“ Nanodrahttransistoren: Messtechnische Herausforderungen

Die Elektronenbeweglichkeit vermaßen die Forscher mithilfe von kontaktloser optischer Spektroskopie: Mithilfe eines optischen Laserpulses setzten sie Elektronen aus dem Material frei. Dabei wählten sie die Energie der Lichtpulse so, dass die Hülle praktisch transparent für das Licht erscheint und freie Elektronen nur im Kern der Drähte entstehen. Darauffolgende, hochfrequente Terahertz-Pulse versetzten die freien Elektronen in Schwingung.

„Wir geben den Elektronen praktisch einen Kick und sie beginnen im Draht zu schwingen“, erläutert Dr. Alexej Pashkin, der gemeinsam mit seinem Team am HZDR die Messungen für die untersuchten Kern-Hülle-Nanodrähte optimiert hat.

Der Vergleich mit Modellen verrät, wie die Elektronen sich bewegen: Je höher ihre Geschwindigkeit und je weniger sie auf Hindernisse stoßen, desto länger hält die Schwingung an. „Dies ist eigentlich eine Standardtechnik. Allerdings haben wir diesmal nicht den gesamten Draht – aus Kern und Hülle –, sondern ausschließlich den winzigen Kern vermessen. Das war eine neue Herausforderung für uns. Der Kern macht etwa ein Prozent des Materials aus. Das heißt wir regen etwa hundertmal weniger Elektronen an und erhalten ein hundertfach schwächeres Signal“, sagt Pashkin.

Ein kritischer Schritt war somit auch die Probenwahl. Eine typische Probe enthält im Mittel rund 20.000 bis 100.000 Nanodrähte auf einem etwa ein Quadratmillimeter großen Substrat. Liegen die Drähte auf der Probe noch enger beisammen, benachbarte Drähte miteinander in Wechselwirkung treten und so ein Signal erzeugen, das dem eines einzelnen, dickeren Drahts ähnelt und die Messungen verfälscht.

Wird dieser Effekt nicht erkannt, ist die abgeleitete Elektronengeschwindigkeit zu niedrig. Das Dresdner Forschungsteam führte zusätzliche Modellierungen sowie eine Serie von Messungen für unterschiedlich dicht gepackte Nanodrähte durch, um diese Störung auszuschließen.

Prototypen für schnelle GHz-Transistoren mit Nanodrähten

Trends in der Mikroelektronik und Halbleiter-Industrie fordern zunehmend kleinere Transistoren, die sich immer schneller schalten lassen. Fachleute erwarten, dass neue Nanodraht-Konzepte für Transistoren im Laufe der kommenden Jahre auch die industrielle Fertigung erobern. Die Dresdner Entwicklung ist besonders vielversprechend für ultraschnelle Transistoren.

Im nächsten Schritt planen die Forscher erste Prototypen auf Basis der untersuchten Nanodrähte zu entwickeln und auf ihre Praxistauglichkeit zu testen. Dafür wollen sie metallische Kontakte auf die Nanodrähte aufbringen, prüfen und verbessern, mit Silizium dotierte Materialien testen und Herstellungsverfahren optimieren.

Originalpublikation: L. Balaghi, S. Shan, I. Fotev, F.Moebus, R. Rana, T. Venanzi, R. Hübner, T. Mikolajick, H. Schneider, M. Helm, A. Pashkin, E. Dimakis, High electron mobility in strained GaAs nanowires, in Nature Communications, 2021 (DOI: 10.1038/s41467-021-27006-z)

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