Ihanteellisen puolijohdemateriaalin metsästystä

Transistoreita edelleen kutistettaessa on tutkittava aiempaa tarkemmin sen keskeisen rajapinnan materiaalien keskinäistä käyttäytymistä.

Kiinalaisen Fudanin yliopiston Ye-Fei Li ja Zhi-Pan ovat tunnistaneet koneoppimisen avulla kaksi puolijohdemateriaalia, joilla tulisi olla vankkoja esteitä tunneloinnille, kun niistä muodostetaan transistorirakenteita, joiden sivumitat ovat vain yhden nanometrin verran.

Koneoppimisen avulla Li ja Liu simuloivat tuhansia kenttävaikutustransistoreja, jotka koostuvat puolijohtavasta piikerroksesta (Si) yhdessä eristävän piidioksidikerroksen (SiO2) kanssa.

Kaikkiaan lähes 2500 simuloidusta hilarakenteesta havaittiin, että vain 40 sisälsi kuvion, joka toistui jokaisella nanometrillä. Näistä 40:stä vain 10 oli stabiileja – niiden rajapintarakenteen energia oli samanlainen kuin niiden bulkkirakenteella – vaatimus hyvin toimivalle transistorille.

He havaitsivat myös, että näiden kahden materiaalin suuntaus suhteessa toisiinsa oli avain rakenteen tehokkaaseen toimintaan. Lopulta he tunnistivat kaksi järjestelmää, Si(210) ∕SiO2(102) ja Si (211) ∕SiO2(112), jotka minimoivat kvanttitunnelointivaikutukset.

Tutkijat aikovat jatkossa käyttää tekniikkaansa muiden transistorimateriaalien, kuten galliumnitridin ja piikarbidin, tutkimiseen.

MIT:n, Houstonin yliopiston ja muiden instituutioiden tutkijoiden ryhmä on puolestaan osoittaneet, että kuutiollinen booriarsenidi on paras koskaan löydetty puolijohdemateriaali.

Jo aiemmat kokeet osoittaneet, että kuutiollisen booriarsenidin lämmönjohtavuus on lähes 10 kertaa suurempi kuin piin ja että sillä on erittäin hyvä kaistaero.

Nyt voitiin todistaa, että booriarsenidilla on korkea liikkuvuus sekä elektronien että aukkojen suhteen, joten sillä on kaikki ihanteellisen puolijohteen tärkeimmät ominaisuudet. Piillä on hyvä elektronien liikkuvuus, mutta huono aukkojen liikkuvuus. Myös muilla materiaaleilla, kuten galliumarsenidilla, jota käytetään laajalti lasereissa, on hyvä elektronien, mutta huonompi aukkojen liikkuvuus.

"Lämpö on nyt monien elektroniikkalaitteiden suuri pullonkaula", sanoo Shin, lehden johtava kirjoittaja. "Piikarbidi korvaa piin tehoelektroniikassa suurissa sähköajoneuvoteollisuudessa. Kuvittele, mitä booriarsenidit voivat saavuttaa, 10 kertaa korkeammalla lämmönjohtavuudella ja paljon suuremmalla liikkuvuudella kuin piillä. Se voi olla pelin muuttaja."

Toistaiseksi kuutiometristä booriarsenidia on valmistettu ja testattu laboratorioissa vain pienissä erissä, jotka eivät ole yhtenäisiä. Se,että voidaanko sitä valmistaa käytännössä ja taloudellisesti on vielä arvoitus.

Aiheesta aiemmin:

Eristeidenkin on ohennuttava