硅納米晶體管展現出強量子限制效應
2011-03-26
據美國物理學家組織網3月21日報道，美國得克薩斯大學的一個研究小組用非常細的納米線制造出一種晶體管，表現出明顯的量子限制效應，納米線的直徑越小，電流越強。該技術有望在生物感測、集成電路縮微制造方面發揮重要作用。相關研究發表在最近出版的《納米快報》上。
實驗中，他們用平版印刷技術制造了一種直徑僅有3納米到5納米的硅納米線。由于直徑非常小，表現出明顯的量子限制效應，納米線的塊值(bulk values)性質發生了變化。尤其是用極細納米線制造的晶體管，在空穴遷移率、驅動電流和電流強度等方面屬性明顯增強，大大提高了晶體管的工作效率，其性能甚至超過最近報道的用半導體摻雜技術改良的硅納米線晶體管。
得克薩斯大學研究人員沃爾特·胡介紹說，我們已經證明，載荷子遷移率會隨著硅隧道的量子限制程度增加而不斷提高，這在理論上為3納米直徑納米線的受激高速空穴流動提供了實驗證據。
這好像是違反直覺的，一根更細的納米線能產生比更粗的線更高的流動性。但研究人員解釋說，在塊狀硅中，形成電流的空穴能量分布很寬，量子限制效應限制了空穴，形成了更加一致的能量排列，從而提高了導線中的載荷子遷移率。在細納米線中，由于空穴能量分布更窄，反而提高了流動性和電流強度。當與構造類似的納米帶(只在厚度維度進行限制)相比時，細納米線也顯出隧道的量子限制程度提高，能產生更高的載荷子遷移率。
納米線晶體管技術主要用于制造廉價且超靈敏的生物傳感器，其靈敏度將隨納米線直徑的減小而增加。“我們計劃用這種型號的微細納米線晶體管來開發蛋白質生物感測器。”沃爾特·胡說，小直徑納米線依靠本身優勢，可在生物感測方面發揮重要作用，有望開發出最終達到一個單分子的靈敏感測儀器，而且信噪比更好。
除了生物感測器，新型高性能晶體管還在互補金屬氧化物半導體縮微技術(CMOS，一種集成電路材料微型化)上有極大潛力，目前該領域的發展已經接近極限，變得越來越難。沃爾特·胡認為，硅材料在納米電子設備領域仍具有很多潛能。硅納米線晶體管的性能隨著直徑減小而增強，將細微納米線晶體管排成陣列，無需新的工藝技術就能制造出高性能產品。新型納米線晶體管在把CMOS縮小到納米級別時甚至能簡化目前的工序，并不需要用高摻雜的補充質結作為源漏。
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