Felteffekttransistorer får et løft fra ferroelektriske film

(Phys.org) — Efterhånden som mikroelektronik bliver mindre og mindre, en af ​​de største udfordringer ved at pakke en smartphone eller tablet med maksimal processorkraft og hukommelse er mængden af ​​varme, der genereres af de små "switches" i hjertet af enheden.

En kompleks metaloxidfilm – designet af IBM og University of Texas, Austin (UTA) forskere, og testet hos IBM, National Synchrotron Light Source (NSLS) ved Brookhaven National Laboratory, og Oak Ridge National Laboratory (ORNL) – kunne hjælpe med at reducere den spænding, der kræves for at skifte elektroniske signaler, og dermed den overdrevne energi, de kræver. Deres forskning er offentliggjort i oktobernummeret af Natur nanoteknologi .

"Dette projekt er at udvikle film, der vil give os mulighed for at reducere den nødvendige spænding for at få kontakten til at vende i en nanotransistor, " sagde Jean Jordan-Sweet, en IBM-forsker ved NSLS. "Vægten er på at forsøge at inkorporere ferroelektrik i industristandard silicium-baserede enheder for at øge ydeevnen og samtidig reducere behovet for mere spænding."

Et team af forskere, ledet af IBM -forsker Catherine Dubourdieu fra det franske nationale center for videnskabelig forskning, var i stand til at skifte ferroelektrisk polarisering af disse film uden brug af en ledende bundelektrode, hvilket kunne give mulighed for mindre enheder, der maksimerer output uden overskydende varme.

At gøre dette, UTA-forskerne dyrkede en barium-titanat-film på en siliciumbase ved hjælp af molekylær stråleepitaxi, en metode, der afsætter et krystallinsk lag i register med et enkeltkrystalsubstrat. Takket være piezoresponse kraftmikroskopi udført på ORNL, holdet fastslog, at det resulterende materiale var ferroelektrisk, hvilket betyder, at den har en elektrisk polarisering, der kan vendes, når et eksternt elektrisk felt påføres. Dette er nyttigt ikke kun for logiske enheder med lav effekt, men også til ikke-flygtige hukommelser.

"Disse ferroelektriske film kan skifte, og når de først er skiftet, er de stabile ved stuetemperatur; Desuden kan du lave disse ting på en virkelig lille nanoskala, og der er mange måder, du kan integrere dem i mikroelektroniske enheder, " sagde Jordan-Sweet.

At dyrke filmen oven på silicium kræver finesse. De krystallinske strukturer af barium-titanat og silicium stemmer ikke nøjagtigt overens, så det er lidt ligesom at prøve at få tennisbolde til at passe ind i en æggekarton. De er for store til depressionerne, så der skal tilføjes et bufferlag for at sikre, at der bliver lavet en god registrering mellem de to stoffer. I dette tilfælde, strontium-titanat blev brugt, fordi dets krystalenhedsstørrelse er mellem størrelsen af ​​silicium og barium-titanat, hvilket giver mulighed for en gradvis re-justering af krystalstrukturen i filmen.

Da filmene var blevet dyrket med succes, Dubourdieu og Jordan-Sweet brugte X20A-strålelinjen på NSLS til at udføre røntgendiffraktionstests for at karakterisere tetragonaliteten - eller "uden for kvadratisk" af krystalstrukturen - i filmen. De fandt ud af, at bufferlaget inducerede den korrekte struktur i bariumtitanatet, så de tetragonale krystalenheder, og dermed den elektriske polarisering, pegede i den rigtige retning for at lave gode transistorer.

Ved hjælp af piezorespons kraftmikroskopi ved Oak Ridge National Laboratory, teamet fandt ud af, at de kunne producere ferroelektrisk kobling inden for film fra 8 til 40 nanometer tykke, selvom en tykkelse på kun 10 nanometer var bedst for at sikre, at polariteten over filmen var jævnt fordelt.