Nanodraden voor nieuwe chiparchitectuur

Draden van silicium in het nanometerbereik bieden een grote potentieel voor een nieuwe chiparchitectuur, maar de elektrische eigen-schappen moeten nog nauwkeuriger worden onderzocht en begrepen. Onderzoekers van het Max-Planck-Institut für Mikro-strukturphysik in Halle en het Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) is het gelukt om de elektrische weerstand en de tot nog toe onbekende stroom in het inwendige van silicium-nanodraden in beeld te brengen.

Siliciumtransistoren op een microchip worden vlak aangebracht en hebben een grootte van ongeveer 50 nm. Omdat de grens van de miniaturisering is bereikt, wordt gezocht naar nieuwe mogelijkheden. Ontwikkelaars denken aan een driedimensionale architectuur: in plaats van vlak of in lagen boven elkaar worden de siliciumtransistoren 90° gedraaid en de hoogte in ge-bouwd. Op deze manier zou men veel transistoren, die als minizuilen uit de microchip steken, op het vlak van één normale transistor kunnen plaatsen. Hierbij zou de stap van micro- naar nano-elektronica kunnen worden gemaakt.

Schema van een silicium-wafer met zuiltransistoren van silicium nanodraden (zonder bovenste p-contact). 

Nanodraden van koolstof hebben hun intrede gedaan in de industriële productie, draden van silicium daarentegen kunnen pas sinds kort betrouwbaar worden vervaardigd. Voordat ze worden toegepast, moet onderzoek worden gedaan, zodat betrouwbare transistoren voor de nieuwe generatie van microchips kunnen worden gebouwd. In de zuiltransistor zal de stroom niet horizontaal maar verticaal vloeien. De transistoren worden kleiner en vragen minder energie.

De onderzoekers van het Max-Planck Institut maken monokristallijne nanodraden van silicium, die geschikt zijn als onderdelen voor microchips. In het ionenstraalcentrum van het FZD worden vreemde atomen geïm-planteerd in de draden, een proces dat stroom vloeien in halfgeleider-materialen mogelijk maakt. Dat gebeurt dus ook in de transistor, die de stroom van elektrische ladingdragers moet schakelen.

Silicium is uitgebreid onderzocht, maar dit niet binnen het nanobereik. De onderzoekers hebben eerst draden onderzocht, die een doorsnede hebben van ongeveer 100 nm en een lengte van 300 nm. Het uiteindelijk doel is draden van enkele atomen dikte tot aan een draad, waarbij alleen nog aparte atomen aan elkaar zitten. Hiervan willen ze de materiaaleigen-schappen karakteriseren om na te kunnen gaan, hoe ze de elektrische eigenschappen voor het gebruik in de nanoelektronica op maat kunnen snijden voor bijvoorbeeld field effect transistoren (FET´s).

Resultaten

De geïmplanteerd vreemde atomen (borium of fosfor) blijven niet op hun plaats maar zwerven naar de rand van de nanodraad, naar de oppervlakte. Daar worden ze gedeeltelijk inactief en kunnen niet bijdragen aan de geleiding. Het ontbrak nog aan een geschikte meetmethode om de uit-werking van de ongelijke verdeling van de geïmplanteerde atomen te bepalen. Willen nanodraden in de toekomst als zuiltransistor worden toegepast, dan moeten de ontwikkelaars rekening houden met deze en andere gegevens.

Met behulp van Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM) krijgen de onderzoekers 3D-afbeeldingen van de geleidbaarheid in een nanodraad, die uiteindelijk slechts zo dik is als 1/25.000 deel van een mensenhaar.

• website van het Forschungszentrum Dresden-Rossendorf
• website van het Max-Planck-Insitut Halle