硅纳米晶体管展现出强量子限制效应

2011-3-25 09:33 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网3月21日报道,美国得克萨斯大学的一个研究小组用非常细的纳米线制造出一种晶体管,表现出明显的量子限制效应,纳米线的直径越小,电流越强。该技术有望在生物感测、集成电路缩微制造方面发挥重要作用。相关研究发表在最近出版的《纳米快报》上。  

  实验中,他们用平版印刷技术制造了一种直径仅有3纳米到5纳米的硅纳米线。由于直径非常小,表现出明显的量子限制效应,纳米线的块值(bulk values)性质发生了变化。尤其是用极细纳米线制造的晶体管,在空穴迁移率、驱动电流和电流强度等方面属性明显增强,大大提高了晶体管的工作效率,其性能甚至超过最近报道的用半导体掺杂技术改良的硅纳米线晶体管。

  得克萨斯大学研究人员沃尔特·胡介绍说,我们已经证明,载荷子迁移率会随着硅隧道的量子限制程度增加而不断提高,这在理论上为3纳米直径纳米线的受激高速空穴流动提供了实验证据。

  这好像是违反直觉的,一根更细的纳米线能产生比更粗的线更高的流动性。但研究人员解释说,在块状硅中,形成电流的空穴能量分布很宽,量子限制效应限制了空穴,形成了更加一致的能量排列,从而提高了导线中的载荷子迁移率。在细纳米线中,由于空穴能量分布更窄,反而提高了流动性和电流强度。当与构造类似的纳米带(只在厚度维度进行限制)相比时,细纳米线也显出隧道的量子限制程度提高,能产生更高的载荷子迁移率。

  纳米线晶体管技术主要用于制造廉价且超灵敏的生物传感器,其灵敏度将随纳米线直径的减小而增加。“我们计划用这种型号的微细纳米线晶体管来开发蛋白质生物感测器。”沃尔特·胡说,小直径纳米线依靠本身优势,可在生物感测方面发挥重要作用,有望开发出最终达到一个单分子的灵敏感测仪器,而且信噪比更好。

  除了生物感测器,新型高性能晶体管还在互补金属氧化物半导体缩微技术(CMOS,一种集成电路材料微型化)上有极大潜力,目前该领域的发展已经接近极限,变得越来越难。沃尔特·胡认为,硅材料在纳米电子设备领域仍具有很多潜能。硅纳米线晶体管的性能随着直径减小而增强,将细微纳米线晶体管排成阵列,无需新的工艺技术就能制造出高性能产品。新型纳米线晶体管在把CMOS缩小到纳米级别时甚至能简化目前的工序,并不需要用高掺杂的补充质结作为源漏。