砷化铟可替代硅应用于电子设备

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  美国物理学家组织网11月23日报道,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家成功地将厚度仅为10纳米的超薄半导体砷化铟层集成在一个硅衬底上,制造出一块纳米晶体管,其电学性能优异,在电流密度和跨导方面也表现突出,可与同样尺寸的硅晶体管相媲美。该研究结果发表在最新一期《自然》杂志上。

  尽管硅拥有很多令人惊奇的电子特性,但这些特性已经快被利用到极限,科学家一直在寻找能替代硅的半导体材料,以制造未来的电子设备。伯克利实验室材料科学分部的首席科学家、加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学教授艾里·杰维表示,最新的研究证明,半导体家族Ⅲ—Ⅴ族化合物中的一个成员砷化铟具有超强的电子迁移率和电子迁移速度,可以成为性能优异的“硅替身”,用于制造未来低能耗、高速率的电子设备。

  一直以来研究人员面临的挑战是如何将Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体同现有的生产硅基设备的低成本处理技术相结合,因为硅和Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体之间存在着巨大的晶格失配度,让这些化合物半导体直接在硅衬底上进行异质外延生长面临着巨大挑战,并可能导致产品出现大量缺陷。

  杰维表示,他们使用了一种外延转移方法,通过绝缘体上化合物半导体(XOI)平台,将超薄的单晶砷化铟层转移到硅/二氧化硅衬底上,然后用传统的处理技术制造出了该晶体管设备。研究表明,该XOI技术平台与绝缘体上覆硅(SOI)工艺一样。

  为了制造出XOI平台,杰维团队在一个初级源衬底上种植了单晶砷化铟薄膜(其厚度为10纳米到100纳米),接着采用石板印刷的方式将薄膜蚀刻成有序的纳米带阵列,再用湿法刻蚀技术将该纳米带阵列从源衬底上移走,最后使用冲压工艺将其转移到硅/二氧化硅衬底上。

  杰维认为,砷化铟化合物半导体薄层的尺寸非常小,再加上量子局限效应让该材料的带状结构和传输性能相协调,因此,所得到的半导体具有优异的电学性能。尽管他们仅仅使用了砷化铟,但该技术应该同样适用于其他Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体。

  杰维表示,新技术可以直接将高性能的光电二极管、激光二极管以及发光二极管集成在传统的硅衬底上,下一步他们将研究该过程是否可以扩展来制造8英寸和12英寸芯片,而且该技术应该能使科学家在同一块芯片上制造出P型和N型半导体。该技术的独特性还在于,它使科学家能够研究仅几个原子层厚的无机半导体的属性。

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