Νανοτεχνολογία τρανζίστορ MESFET βασισμένων σε κατακόρυφα (V) νανονήματα (NW) GaN

Για πρώτη φορά υλοποιήθηκαν διατάξεις και μελετήθηκε η φυσική λειτουργία GaN V-NW MESFETs, δηλαδή Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου (FETs) με Πύλη επαφή με φραγμό Schottky και κανάλι αποτελούμενο από κατακόρυφα νανονήματα (V-NWs) του ημιαγωγού GaN. Απετέλεσε την πειραματική επιβεβαίωση μιας πλατφόρμας νανοτεχνολογίας για ημιαγωγικές διατάξεις από GaN V-NWs, η οποία περιγράφεται επεξηγηματικά στο άρθρο  που προέκυψε από την έρευνα για Διδακτορική Διατριβή του κ. Γεωργίου Δουνδουλάκη, υπό την επίβλεψη του Καθ. Αλεξάνδρου Γεωργακίλα και σε συνεργασία με άλλα μέλη της Ομάδας Μικρο/Νανο-Ηλεκτρονικής του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ.

Η μονοδιάστατη δομή και ο υψηλός λόγος μήκους-προς-πλάτος των νανονημάτων ημιαγωγών, τα καθιστούν ιδιαίτερα επιθυμητά δομικά στοιχεία για υλοποίηση καινοτόμων διατάξεων του μέλλοντος, για εφαρμογές νανοηλεκτρονικής, νανοφωτονικής και αισθητήρων. Τα FETs με κανάλι νανονήματος και πανταχόθεν περιβάλλουσα  (all-around) Πύλη, επιτρέπουν τη μέγιστη σμίκρυνση διαστάσεων στη νανοκλίμακα, διατηρώντας τον ηλεκτροστατικό έλεγχο της Πύλης. Επίσης θα επιτρέψουν  κυκλώματα με τη μέγιστη πυκνότητα ολοκλήρωσης, συμπεριλαμβάνοντας και τη δυνατότητα ολοκλήρωσης σε διεύθυνση κατακόρυφη του υποστρώματος (3D-integration). Οι δυνατότητες αυτές έχουν διατυπωθεί ξεκάθαρα στον «Διεθνή Οδικό Χάρτη για Διατάξεις και Συστήματα (IRDS)» ως προς την εξέλιξη της τεχνολογίας ψηφιακών κυκλωμάτων λογικής Si CMOS, όπου επίσης προβλέπεται ότι το κανάλι των MOSFET τύπου-Ν θα αποτελείται από ημιαγωγό III-V.

Για να ξεπεραστούν οι δυσκολίες της ανάπτυξης νανονημάτων (NWs) σε συγκεκριμένες θέσεις του υποστρώματος, τα κατακόρυφα GaN NWs σχηματίστηκαν με νανο-επεξεργασία μίας επίπεδης (2D) ετεροδομής GaN, ανεπτυγμένης πάνω σε υπόστρωμα σαπφείρου. Η επεξεργασία συνδύασε  συμβατικές τεχνικές νανοτεχνολογίας ημιαγωγών και ανισοτροπική χάραξη σε υγρό διάλυμα. Το κανάλι των κατασκευασμένων διατάξεων βασίσθηκε σε GaN NWs με τη στενότερη, έως σήμερα, διάμετρο των 100 nm και για πρακτικούς λόγους αποτελείτο από μια συστοιχία 900 GaN NWs. Τα GaN V-NW MESFETs  λειτουργούσαν σαν τρανζίστορ τύπου επαύξησης (normally-off) με τάση κατωφλίου +0,4 V. Η λειτουργία τους καθορίσθηκε από την κάμψη των ζωνών και απογύμνωση ηλεκτρονίων προς τις πλευρικές επιφάνειες του NW. Στην Πύλη οφείλετο στο φραγμό Schottky και στις ενδιάμεσες περιοχές  Πηγής-Πύλης και Πύλης-Απαγωγού στην «καθήλωση» της στάθμης Fermi στις πλευρές του NW, από επιφανειακές καταστάσεις. Για δεδομένη κάμψη ζωνών, προσδιορίστηκε η κρίσιμη διάμετρος (d_crit) για συνολική απογύμνωση του NW ανάλογα με τη συγκέντρωση Δοτών.

Η παρουσιασθείσα μέθοδος νανοτεχνολογίας για V-NW FETs μπορεί να εφαρμοστεί για κατασκευή V-NW FETs με κανάλι αποτελούμενο είτε από ένα NW, στην περίπτωση διατάξεων ψηφιακών κυκλωμάτων λογικής, είτε από πολλά NWs, στην περίπτωση κατακόρυφων τρανζίστορ ισχύος / διακοπτών του ημιαγωγού GaN. H ίδια επιταξιακή δομή, με συγκεκριμένη συγκέντρωση προσμίξεων Δοτών, μπορεί να δώσει normally-off και normally-on τρανζίστορ για κυκλώματα λογικής, χρησιμοποιώντας διαφορετικές διαμέτρους νανονημάτων GaN. Τέλος, το άρθρο υποδεικνύει κατευθύνσεις για περαιτέρω βελτιστοποίηση των διατάξεων GaN V-NW FETs.

Ερευνητικό Άρθρο: “Nanofabrication of normally-off GaN vertical nanowire MESFETs”, G. Doundoulakis, A. Adikimenakis, A. Stavrinidis, K. Tsagaraki, M. Androulidaki, F. Iacovella, G. Deligeorgis, G. Konstantinidis and A. Georgakilas, , Nanotechnology, vol. 30, no. 28, p. 285304, 2019

Εικόνα: Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), σε κεκλιμένη προβολή, που δείχνουν (α) τη συστοιχία τραπεζοειδών νανονημάτων GaN έπειτα από ξηρή εγχάραξη (RIE) του επιταξιακού στρώματος GaN, (β) την τελική συστοιχία νανονημάτων GaN έπειτα από RIE και ανισοτροπική εγχάραξη σε υγρό διάλυμα, (γ) την τελική συστοιχία νανονημάτων GaN έπειτα από το σχηματισμό της επαφής της Πύλης με μήκος 250 nm, και (δ) την τελικά κατασκευασθείσα διάταξη V-NW MESFET

Ιανουάριος 2020