Overraskende opdagelse afslører nye muligheder for halvledermateriale

Forskere har taget en fælles komponent af digitale enheder og udstyret den med en hidtil uobserveret kapacitet, åbner døren til en ny generation af siliciumbaserede elektroniske enheder.

Mens digitale kredsløb i computere og mobiltelefoner bliver mindre, og processorer går hurtigere og hurtigere, grænserne nærmer sig, og videnskabsmænd verden over arbejder på at udvide eller gå ud over nutidens teknologi, kendt som komplementær metal-oxid-halvleder eller CMOS-teknologi.

I en forskningsartikel offentliggjort i juli 2019 i Fysiske anmeldelsesbreve , forskerne forklarer, hvordan de skabte et metaloxid - "MO" i "CMOS" - udstyret med en yderligere vigtig funktion. I stedet for blot at være et passivt element i tænd-sluk-kontakten i en CMOS-transistor, det nye metaloxid aktiverer elektrisk strøm helt af sig selv. Fundet kunne en dag hjælpe med at flytte computeren ind i en æra, der ofte kaldes "ud over CMOS."

Oxidmaterialet skaber strøm i nærliggende ren, "udopet" silicium, arbejdshestens halvleder i elektronikindustrien. Ledningsevnen i silicium foregår i et meget tyndt område kun ni atomlag tykt. Du skal stable 100, 000 sådanne lag svarende til bredden af ​​et menneskehår.

Denne evne – til at inducere strøm i silicium – markerer et stort skridt fremad for et materiale, der tidligere har været tænkt som værende af begrænset værdi; den har udført on-off-opgaverne for en isolator meget godt, men den er ikke blevet taget i betragtning for den afgørende strømskabende kapacitet, som alle transistorer er afhængige af.

"Det faktum, at et oxid, længe kun brugt som et passivt element i halvlederenheder, kan også være et aktivt element er nyt og spændende, " sagde Scott Chambers, en af ​​forfatterne og en videnskabsmand ved Department of Energy's (DOE) Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Halvledermålinger i modstrid

Resultatet er så uventet, at de videnskabsmænd, der udførte arbejdet, hos PNNL, University of Texas (UT)-Arlington, og andre steder, brugte måneder på at prøve at forstå, hvilken fejl de kunne have begået, før de bekræftede gennem en række tests, at deres uventede resultater var sunde.

Adskillige målinger af den indviklede halvlederstruktur, kendt som en heterojunction, demonstrerede forskernes mesterskab:Grænsen mellem metaloxidet kendt som strontiumtitanat og silicium var sprød. Atomrække for atomrække, den heterojunction, der blev fremstillet ved UT-Arlington ved en proces kendt som molekylær stråleepitaksi, virkede næsten perfekt.

Undtagen, det er, for nogle overraskende spektrallinjer, resultatet af sondering af prøven med røntgenlys. Spektrene viste uventede karakteristika for en næsten fejlfri struktur.

Holdet hos PNNL kontrollerede og gentjekkede sine røntgenmålinger. Måske var der forurenet en af ​​ingredienserne. Måske har nogen undladt at åbne iltventilen bredt nok under væksten af ​​oxidfilmen. Måske virkede instrumenterne ikke korrekt. Eller måske havde de skabt andre materialer end det, de havde tænkt sig.

Men alt blev tjekket ud.

"De data, vi havde, var modstridende og tilsyneladende bizarre, " sagde Chambers. "På de fleste mål havde vi skabt et materiale, der var næsten perfekt, men en anden vigtig måling syntes at indikere, at vores materiale var noget rod."

Det var da, Chambers besluttede at tage et seriøst kig på en anden mulighed - at alle målinger var nøjagtige, og at den lagdelte struktur er central for transistorer, og computerchips, og andre digitale enheder af alle typer var ikke fejlbehæftede. Hellere, kunne der være noget hidtil ukendt, der ville forklare de mystiske målinger?

Ja, der var.

Nudler over røntgenspektrene, Chambers indså, at resultaterne kunne forklares ved tilstedeværelsen af ​​uventede elektriske felter skabt af en strøm af elektroner på tværs af krydset mellem silicium og strontiumtitanat.

Egentlige iltatomer

Det viste sig, at et meget lille antal iltatomer fra strontiumtitanatet var kommet ind i siliciumet. Holdet havde utilsigtet dopet silicium med ilt, resulterer i elektronoverførsel fra silicium til strontiumtitanat, og skabelsen af ​​en elektrisk strøm af "huller" (manglende elektroner) i de øverste atomplaner af silicium.

Det var ikke et let puslespil at løse. For at gøre det, holdet skulle udvikle en ny måde at forstå dets målinger på. Input fra højenergi elektrondiffraktion, røntgen krystallografi, og højopløsnings-transmissionselektronmikroskopi indikerede alt, at materialet var næsten perfekt, men målinger fra røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) syntes at indikere noget andet.

XPS virker ved at skinne højenergilys - i dette tilfælde røntgenstråler - på et materiale og derefter måle, hvad der sker, bedømt ud fra energierne og intensiteterne af de elektroner, der udsendes.

Forskere kan lære meget ved at ramme en prøve med røntgenstråler. Tænk på, hvad der sker i en overfyldt værtshus, når et rockband begynder at spille. Nogle lånere vil klappe, andre vil gå mod udgangene, og nogle vil måske tage deres instrumenter op og være med. For videnskabsmænd, der rammer en prøve med røntgenstråler, at analysere de elektroner, der kommer ud, er vigtigt for at forstå, hvilke atomer der er til stede, hvilket kemisk bindingsmiljø de er i, og hvad det overordnede energilandskab er inden for et materiale. Imidlertid, Det er en stor udfordring at fjerne energilandskabet fra rådata.

Chambers udviklede et sæt hypoteser og en konceptuel måde at fortolke XPS-resultaterne i form af tilstedeværelsen af ​​store elektriske felter i materialet. Han henvendte sig derefter til PNNL-kollega Peter Sushko, en ekspert modellerer af komplekse faste materialer, at skrive en computerkode til at løse ligningerne forbundet med begrebet og bestemme egenskaberne for de elektriske felter.

Sushko udviklede en algoritme, der tildeler millioner af mulige elektriske feltværdier til de forskellige atomlag og simulerer de spektre, der ville resultere for hvert sæt. Et bestemt sæt passede nøjagtigt til holdets eksperimentelle spektre:Holdet havde vist, at de mærkelige XPS-data var i overensstemmelse med tilstedeværelsen og styrkerne af elektriske felter, der ville give anledning til en hulstrøm i silicium, ligesom Chambers mistænkte.

"Vi opdagede, at de energilandskaber, der kom fra korrekt fortolkning af vores XPS ved hjælp af denne nye algoritme, var præcis, hvad der skulle være til stede for at generere den ledningsevne, vi observerede, " sagde Chambers.

"Peters computerkode gjorde det muligt for os at finde det unikke sæt elektriske feltværdier, der forklarer alle vores data - i sandhed en nål i en høstak. De afgørende data i et eksperiment som dette kan indsamles på få timer, men det tog et års tænkning og analyse at fortolke dem, " han tilføjede.

Resultaterne blev bekræftet af Chambers og den tilsvarende forfatter Joseph H. Ngai fra UT-Arlington ved hjælp af fuldstændig uafhængige metoder.

Ingen MOSFET-revolution – endnu

Chambers og Ngai forventer ikke, at denne opdagelse umiddelbart vil revolutionere halvlederindustrien eller fremstillingen af ​​MOSFET'er (metaloxid-halvleder-felteffekttransistorer). Men denne grundlæggende videnskab åbner en ny dør i "beyond CMOS"-verdenen, og algoritmen, som holdet skabte for at forstå resultaterne, giver videnskabsmænd et nyt værktøj til at undersøge lagdelte strukturer af alle slags, ikke kun dem for et oxid på silicium.