Mod mindre transistorer

(Phys.org) – Grundlaget for mange, mange moderne elektroniske enheder – inklusive computere, smartphones, og fjernsyn – er siliciumtransistoren. Imidlertid, krympningen af ​​forbrugerelektronik får forskere til at undersøge materialer, der kan give tyndere transistorer. Hos NSLS, forskere har brugt røntgenstråler til at undersøge den elektroniske opførsel af en germanium-baseret transistorstruktur, giver vigtig information, der vil guide fremtidige undersøgelser af, hvordan man kan gøre transistorer mindre.

En transistor er i det væsentlige en switch, der regulerer strømmen. Når en bestemt tærskelspænding påføres over den, nuværende strømme; under det, strøm løber ikke. En meget almindelig transistor består af et meget tyndt (nanometerskala) lag af et oxid (typisk siliciumoxid, SiO2) mellem et siliciumsubstrat og en metalelektrode.

Germanium (Ge) foretrækkes til at erstatte silicium delvist, fordi ladningsbærere bevæger sig meget hurtigere inden i det end i silicium (Si). Men det større problem er oxidlaget:Når SiO2 nærmer sig en tykkelse på en nanometer, elektroner begynder at "lække" gennem det (et resultat af det mærkelige fysikfænomen med kvantemekanisk tunneling), fører til for meget strømforbrug og dårlig pålidelighed. Transistorer, der bruger SiO2, kan ikke følge med forbrugernes efterspørgsel efter slankere, hurtigere enheder.

For nylig, virksomheder som Intel har fremstillet deres transistorer ved hjælp af hafniumoxid (HfO2), som kan være tyndere og stadig fungere godt. Den har en højere "dielektrisk konstant" (forkortet K), som er den værdi, der bestemmer robustheden af ​​ethvert oxid mod lækage:jo højere værdien af ​​K, jo lavere lækage. Imidlertid, selv HfO2 bliver utæt, når den er for tynd.

Forskere undersøger oxider med højere K-værdier, hvilken, når det kombineres med germanium, kunne give en transistor, der passer bedre til morgendagens elektronik. Men den mest lovende kandidat, titaniumoxid (TiO2), også lækkede for meget strøm, når de blev anbragt i teststrukturer, eller "heterojunctions, " uanset om strukturerne indeholdt Si eller Ge.

Den lækage var resultatet af en for lille "båndforskydning". Dette betyder, at TiO2-ledningsbåndene ikke var tilstrækkeligt adskilt fra Si- og Ge-båndene, tillader elektroner at lække fra Si eller Ge til TiO2. En stor båndforskydning er vigtig, når lagene er så tynde, hjælper med at forhindre elektroner i at bevæge sig mellem dem. En forskergruppe (ledet af Christophe Detavernier ved Gent Universitet i Belgien) har fundet en god løsning:at tilføje et tyndt mellemliggende "mellemlag" til deres heterojunctions, før de aflejrer TiO2-laget. Mellemlaget har en mere rimelig båndforskydning. NSLS-undersøgelsen har brugt denne udvikling som et springpunkt.

"Denne måde, du får det bedste af begge:Den gode båndforskydning fra mellemlaget og den høje dielektriske konstant af titaniumoxid, " sagde NSLS videnskabsmand Abdul Rumaiz, undersøgelsens hovedforfatter. "Imidlertid, med skalering af enheder til mindre størrelser, mellemlagets tykkelse skal være mindre end en nanometer. Derfor er det meget afgørende at forstå båndforskydningerne ved så reducerede dimensioner."

Rumaiz og kolleger fra National Institute of Standards and Technology (NIST), Gent Universitet, Quaid-i-Azam University (Pakistan), og University of Delaware undersøgte, hvordan mellemlagstykkelse påvirkede båndforskydninger. Ved hjælp af røntgenstråler ved beamline X24A, som drives af NIST, de undersøgte germanium-baserede transistorstrukturer indeholdende TiO2 og et hafniumoxid (HfO2) mellemlag. Dette arbejde og fremtidige undersøgelser vil være vigtige for at bestemme, hvor tynde lagene kan være, mens de stadig giver en højtydende transistor.

Holdet skabte seks prøver med forskellige mellemlagstykkelser, fra 0,4 nanometer (nm) til 3 nm, og en fast TiO2-tykkelse på 2 nm. De studerede strukturen med hård røntgenfotoelektronspektroskopi, eller HAXPES, en teknik, der måler de elektroner, et materiale udsender, når det udsættes for en stråle af højenergiske (hårde) røntgenstråler. Disse målinger kan fortælle videnskabsmænd om et materiales bulk elektroniske egenskaber og også afsløre information om grænseflader mellem materialer.

De begyndte med en germanium wafer, som dannede et meget tyndt "native oxid"-lag efter eksponering for ilt. Oven på det oprindelige oxid, holdet tilføjede HfO2 og derefter titaniumoxidet (TiO2) ved hjælp af en teknik kaldet atomlagsaflejring.

HAXPES-analysen viste, at efterhånden som tykkelsen af ​​mellemlaget steg, båndforskydninger steg også. Det afslørede flere andre elektroniske og strukturelle detaljer, også. For eksempel, germanium native oxid skiftede til en højere oxidationstilstand, hvilket betyder, at det mistede elektroner og også steg i tykkelse. Der var ingen beviser for, at TiO2-laget blandede sig med HfO2-laget, men der var tegn på, at HfO2-laget blandede sig med germaniumoxidlaget under det, danner Hf-Ge obligationer. Resultaterne indikerer, at forskere skal være forsigtige med at gøre antagelser om båndforskydning.

Denne undersøgelse er offentliggjort i november 27, 2012, online udgave af Anvendt fysik bogstaver .