Wetenschappers hebben een gemeenschappelijk onderdeel van digitale apparaten genomen en het voorzien van een voorheen onopgemerkt vermogen, de deur openen naar een nieuwe generatie elektronische apparaten op basis van silicium.

Terwijl digitale circuits in computers en mobiele telefoons kleiner worden en processors steeds sneller gaan, grenzen naderen, en wetenschappers over de hele wereld werken eraan om de technologie van vandaag uit te breiden of verder te gaan, bekend als complementaire metaaloxide-halfgeleider- of CMOS-technologie.

In een onderzoeksartikel gepubliceerd in juli 2019 in Fysieke beoordelingsbrieven , de wetenschappers leggen uit hoe ze een metaaloxide hebben gemaakt - de "MO" in "CMOS" - uitgerust met een extra belangrijke functie. In plaats van simpelweg een passief element te zijn van de aan-uitschakelaar in een CMOS-transistor, het nieuwe metaaloxide activeert de elektrische stroom helemaal vanzelf. De bevinding zou op een dag kunnen helpen om computers naar een tijdperk te brengen dat vaak 'voorbij CMOS' wordt genoemd.

Het oxidemateriaal creëert stroom in nabijgelegen zuivere, "ongedopeerd" silicium, het werkpaard halfgeleider van de elektronica-industrie. De geleidbaarheid in silicium vindt plaats in een zeer dun gebied van slechts negen atoomlagen dik. Je zou 100 moeten stapelen, 000 van dergelijke lagen gelijk aan de breedte van een mensenhaar.

Dit vermogen - om stroom in silicium te induceren - markeert een grote stap voorwaarts voor een materiaal waarvan eerder werd gedacht dat het van beperkte waarde was; het heeft de aan-uit-taken van een isolator zeer goed uitgevoerd, maar het is niet overwogen voor de cruciale stroomcreërende capaciteit waarop alle transistors vertrouwen.

"Het feit dat een oxide, lang alleen gebruikt als een passief element in halfgeleiderapparaten, kan ook een actief element zijn is nieuw en intrigerend, " zei Scott Chambers, een van de auteurs en een wetenschapper van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Department of Energy (DOE).

Halfgeleidermetingen op gespannen voet

Het resultaat is zo onverwacht dat de wetenschappers die het werk deden, bij PNNL, de Universiteit van Texas (UT)-Arlington, en elders, maanden besteed aan het proberen te begrijpen welke fout ze hebben gemaakt, voordat ze via een reeks tests bevestigden dat hun onverwachte resultaten degelijk waren.

Verschillende metingen van de ingewikkelde halfgeleiderstructuur, bekend als een heterojunctie, demonstreerde het meesterschap van de wetenschappers:de grens tussen het metaaloxide dat bekend staat als strontiumtitanaat en het silicium was scherp. Atomaire rij voor atomaire rij, de heterojunctie die op UT-Arlington was bereid met een proces dat bekend staat als moleculaire bundelepitaxie, leek bijna perfect.

Behalve, dat is, voor enkele verrassende spectraallijnen, het resultaat van het sonderen van het monster met röntgenlicht. De spectra vertoonden onverwachte kenmerken voor een bijna onberispelijke structuur.

Het team van PNNL controleerde en controleerde de röntgenmetingen opnieuw. Misschien was er sprake van besmetting van een van de ingrediënten. Misschien heeft iemand de zuurstofklep niet ver genoeg geopend tijdens de groei van de oxidefilm. Misschien werkten de instrumenten niet goed. Of misschien hadden ze andere materialen gemaakt dan ze bedoeld hadden.

Maar alles is uitgezocht.

"De gegevens die we hadden waren tegenstrijdig en ogenschijnlijk bizar, " zei Chambers. "Met de meeste maatregelen hadden we een materiaal gecreëerd dat bijna perfect was, maar een andere belangrijke meting leek erop te wijzen dat ons materiaal een puinhoop was."

Het was toen dat Chambers besloot serieus naar een andere mogelijkheid te kijken - dat alle metingen nauwkeurig waren en dat de gelaagde structuur die centraal staat in transistors, en computerchips, en andere digitale apparaten van alle soorten was niet gebrekkig. Liever, zou er iets zijn dat voorheen onbekend was dat de mysterieuze metingen zou verklaren?

Inderdaad, er was.

Noodling over de röntgenspectra, Chambers realiseerde zich dat de resultaten konden worden verklaard door de aanwezigheid van onverwachte elektrische velden die werden gecreëerd door een stroom van elektronen over de overgang tussen het silicium en het strontiumtitanaat.

Eigenzinnige zuurstofatomen

Het bleek dat een zeer klein aantal zuurstofatomen uit het strontiumtitanaat in het silicium was terechtgekomen. Het team had onbedoeld silicium gedoteerd met zuurstof, resulterend in elektronenoverdracht van het silicium naar het strontiumtitanaat, en het creëren van een elektrische stroom van "gaten" (ontbrekende elektronen) in de bovenste atomaire vlakken van het silicium.

Het was geen gemakkelijke puzzel om op te lossen. Om dit te doen, het team moest een nieuwe manier ontwikkelen om de metingen te begrijpen. Input van hoogenergetische elektronendiffractie, X-ray kristallografie, en transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie gaven allemaal aan dat het materiaal bijna perfect was, maar metingen van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) leken anders te duiden.

XPS werkt door hoogenergetisch licht - in dit geval röntgenstralen - op een materiaal te laten schijnen en vervolgens te meten wat er gebeurt, zoals beoordeeld door de energieën en intensiteiten van de elektronen die worden uitgezonden.

Wetenschappers kunnen veel leren door een monster met röntgenstralen te raken. Denk aan wat er gebeurt in een overvolle taverne als een rockband begint te spelen. Sommige klanten klappen, anderen gaan naar de uitgangen, en sommigen pakken misschien hun instrumenten op en doen mee. Voor wetenschappers die een monster nemen met röntgenstralen, het analyseren van de elektronen die eruit komen is belangrijk om te begrijpen welke atomen aanwezig zijn, in welke chemische bindingsomgeving ze zich bevinden, en wat het algemene energielandschap is binnen een materiaal. Echter, het uit de ruwe data halen van het energielandschap is een grote uitdaging.

Chambers ontwikkelde een reeks hypothesen en een conceptuele manier om de XPS-resultaten te interpreteren in termen van de aanwezigheid van grote elektrische velden in het materiaal. Vervolgens wendde hij zich tot PNNL-collega Peter Sushko, een expert modelleur van complexe vaste materialen, een computercode schrijven om de vergelijkingen die bij het concept horen op te lossen en de eigenschappen van de elektrische velden te bepalen.

Sushko ontwikkelde een algoritme dat miljoenen mogelijke elektrische veldwaarden toewijst aan de verschillende atomaire lagen en de spectra simuleert die voor elke set zouden ontstaan. Een bepaalde set paste precies in de experimentele spectra van het team:het team had aangetoond dat de vreemde XPS-gegevens consistent waren met de aanwezigheid en sterkte van elektrische velden die aanleiding zouden geven tot een gatenstroom in het silicium, precies zoals Chambers vermoedde.

"We ontdekten dat de energielandschappen die voortkwamen uit het correct interpreteren van onze XPS met behulp van dit nieuwe algoritme precies waren wat er nodig was om de geleidbaarheid te genereren die we waarnamen, ", aldus Chambers.

"De computercode van Peter stelde ons in staat om die unieke reeks elektrische veldwaarden te vinden die al onze gegevens verklaart - echt een speld in een hooiberg. De cruciale gegevens in een experiment als dit kunnen in een paar uur worden verzameld, maar het kostte een jaar van denken en analyseren om ze te interpreteren, " hij voegde toe.

De resultaten werden bevestigd door Chambers en de corresponderende auteur Joseph H. Ngai van UT-Arlington met behulp van volledig onafhankelijke methoden.

Nog geen MOSFET-revolutie

Chambers en Ngai verwachten niet dat deze bevinding onmiddellijk een revolutie teweeg zal brengen in de halfgeleiderindustrie of de fabricage van MOSFET's (metaaloxide halfgeleider veldeffecttransistoren). Maar deze fundamentele wetenschap opent een nieuwe deur in de "beyond CMOS"-wereld, en het algoritme dat het team heeft gemaakt om de resultaten te begrijpen, geeft wetenschappers een nieuw hulpmiddel om allerlei soorten gelaagde structuren te onderzoeken, niet alleen die voor een oxide op silicium.