Существующие транзисторы используют полупроводниковый n-p переход, причем материалы по разные стороны контакта представляют собой легированные различными атомами полупроводники для создания необходимого типа проводимости. Однако при уменьшении размера транзистора возникает проблема поддержания высокого градиента концентраций допантов, который может уменьшаться за счет диффузии в n-p- переходе. Это заставляет исследователей полупроводниковых материалов искать альтернативные пути решения этой проблемы, в частности, при помощи отказа от использования n-p переходов в транзисторах. Возникает закономерный вопрос: как же это возможно?
Как это часто бывает в науке, все новое – это хорошо оформленное старое, которое не могло быть реализовано на предыдущем уровне технического развития. В 1925 году в Канаде Юлиус Эдгар Лилиенфилд запатентовал первый транзистор, который был устроен по следующему принципу: тонкая полупроводниковая пленка, осаждена на диэлектрик, в свою очередь осажденный на металлическую подложку, играющую роль затвора. В процессе функционирования между контактными электродами появляется ток, так же, как в МОП-транзисторах появляется ток между истоком и стоком. Устройство, разработанное Лилиенфилдом, представляет собой простой резистор, а приложение напряжения на затвор будет уменьшать число переносчиков тока, тем самым влияя на проводимость пленки полупроводника.
На рис.1 приведена схема n-канального транзистора с кремниевым нанопроводом. Поскольку никаких градиентов концентраций в этой схеме не предусмотрено, то и проблемы с диффузией решаются сами собой. Для создания таких структур нужно разработать методы нанесения тонкого слоя полупроводника для обеспечения полного удаления переносчиков тока в выключенном состоянии, который в то же время должен быть достаточно проводящим, когда транзистор работает.
Теперь немного о методике синтеза таких структур. Технология SOI («кремний-на-изоляторе») позволяет получать монокристаллические пленки кремния шириной в несколько десятков нанометров и толщиной 10 нм. После получения слоя оксида 10 нм толщины (см. рис.1), нанонити были равномерно допированы при помощи метода ионной имплантации, в случае n-типа применялся мышьяк, а в случае p-типа – BF2. Затвор был получен осаждением 50 нм слоя аморфного оксида кремния при 550оС с использованием химического осаждения из паровой фазы при низком давлении. После допирования затвора с использованием бора или ионов мышьяка образцы были отожжены в азоте при 900оС в течении 30 минут для активации допантов и кристаллизации оксида кремния. Полученные структуры (рис.2) были структурированы и протравлены в RIE-реакторе, после чего был нанесен защитный слой SiO2.
Немного о функционировании таких транзисторов. Вольтамперные характеристики транзисторов на нанонитях практически неотличимы от ВАХ обычных транзисторов (рис.3), что позволяет говорить о том, что новый тип транзисторов может успешно заменить модели с n-p переходами. Выходные характеристики приведены на рис. 4, а на рис. 5 в качестве демонстрации принципа работы таких устройств приведено распределение электронов в беспереходном транзисторе в зависимости от напряжения на затворе.
Оригинальная статья "Nanowire transistors without junсtions" опубликована 21 февраля 2010 года в Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/NNANO.2010.15
