(Phys.org) — Het fundament van vele, veel moderne elektronische apparaten – waaronder computers, smartphones, en televisies – is de siliciumtransistor. Echter, het krimpen van consumentenelektronica drijft onderzoekers ertoe materialen te onderzoeken die dunnere transistoren kunnen opleveren. Bij NSLS, onderzoekers hebben röntgenstralen gebruikt om het elektronische gedrag van een op germanium gebaseerde transistorstructuur te onderzoeken, wat belangrijke informatie oplevert die als leidraad zal dienen voor toekomstige studies over hoe transistors kleiner kunnen worden gemaakt.

Een transistor is in wezen een schakelaar die de stroomstroom regelt. Wanneer er een bepaalde drempelspanning over wordt aangelegd, stroom stromen; daaronder, stroom loopt niet. Een veel voorkomende transistor bestaat uit een zeer dunne (nanometerschaal) laag van een oxide (meestal siliciumoxide, SiO2) tussen een siliciumsubstraat en een metalen elektrode.

Germanium (Ge) heeft de voorkeur om silicium gedeeltelijk te vervangen omdat ladingsdragers daarin veel sneller bewegen dan in silicium (Si). Maar het grotere probleem is de oxidelaag:wanneer SiO2 een dikte van één nanometer nadert, elektronen beginnen er doorheen te "lekken" (een resultaat van het vreemde natuurkundige fenomeen van kwantummechanische tunneling), wat leidt tot overmatig stroomverbruik en slechte betrouwbaarheid. Transistors die SiO2 gebruiken, kunnen de vraag van de consument naar slankere, snellere apparaten.

Onlangs, bedrijven zoals Intel maken hun transistors met hafniumoxide (HfO2), die dunner kunnen zijn en toch goed presteren. Het heeft een hogere "diëlektrische constante" (afgekort K), dat is de waarde die de robuustheid van een oxide tegen lekkage bepaalt:hoe hoger de waarde van K, hoe lager de lekkage. Echter, zelfs HfO2 lekt als het te dun is.

Onderzoekers onderzoeken oxiden met hogere K-waarden, die, in combinatie met germanium, zou een transistor kunnen opleveren die meer geschikt is voor de elektronica van morgen. Maar de meest veelbelovende kandidaat, titaanoxide (TiO2), lekte ook te veel stroom bij plaatsing in teststructuren, of "heterojuncties, " ongeacht of de structuren Si of Ge bevatten.

Dat lek was het gevolg van een te kleine "bandoffset". Dit betekent dat de TiO2-geleidingsbanden niet voldoende waren gescheiden van de Si- en Ge-banden, waardoor elektronen van het Si of Ge naar het TiO2 kunnen lekken. Een grote bandoffset is essentieel wanneer de lagen zo dun zijn, helpen voorkomen dat elektronen ertussen bewegen. Een onderzoeksgroep (onder leiding van Christophe Detavernier van de Universiteit Gent in België) heeft een goede oplossing gevonden:het toevoegen van een dunne tussenlaag aan hun heterojuncties voordat de TiO2-laag wordt afgezet. De tussenlaag heeft een meer redelijke bandoffset. Het NSLS-onderzoek heeft deze ontwikkeling als uitgangspunt genomen.

"Op deze manier, je krijgt het beste van beide:de goede bandoffset van de tussenlaag en de hoge diëlektrische constante van titaniumoxide, " zei NSLS-wetenschapper Abdul Rumaiz, hoofdauteur van de studie. "Echter, met het schalen van apparaten naar kleinere formaten, de dikte van de tussenlaag moet kleiner zijn dan één nanometer. Het is dus van cruciaal belang om de bandoffsets bij zulke kleinere afmetingen te begrijpen."

Rumaiz en collega's van het National Institute of Standards and Technology (NIST), Universiteit Gent, Quaid-i-Azam Universiteit (Pakistan), en de Universiteit van Delaware bestudeerden hoe de dikte van de tussenlaag de bandoffsets beïnvloedde. Met behulp van röntgenstralen op bundellijn X24A, die wordt gerund door NIST, ze onderzochten op germanium gebaseerde transistorstructuren die TiO2 en een tussenlaag van hafniumoxide (HfO2) bevatten. Dit werk en toekomstige studies zullen belangrijk zijn om te bepalen hoe dun de lagen kunnen zijn terwijl ze toch een hoog presterende transistor opleveren.

Het team heeft zes monsters gemaakt met verschillende tussenlaagdiktes, van 0,4 nanometer (nm) tot 3 nm, en een vaste TiO2-dikte van 2 nm. Ze bestudeerden de structuur met harde röntgenfoto-elektronenspectroscopie, of HAXPES, een techniek die de elektronen meet die een materiaal uitzendt wanneer het wordt blootgesteld aan een bundel hoogenergetische (harde) röntgenstralen. Deze metingen kunnen wetenschappers vertellen over de bulk elektronische eigenschappen van een materiaal en ook informatie onthullen over de interfaces tussen materialen.

Ze begonnen met een germaniumwafel, die een zeer dunne "eigen oxide"-laag vormde na blootstelling aan zuurstof. Bovenop het natieve oxide, het team voegde de HfO2 en vervolgens het titaniumoxide (TiO2) toe met behulp van een techniek die atomaire laagafzetting wordt genoemd.

De HAXPES-analyse toonde aan dat naarmate de dikte van de tussenlaag toenam, band offsets namen ook toe. Het onthulde verschillende andere elektronische en structurele details, te. Bijvoorbeeld, het natuurlijke oxide van germanium verschoof naar een hogere oxidatietoestand, wat betekent dat het elektronen verloor en ook in dikte toenam. Er was geen bewijs dat de TiO2-laag zich vermengde met de HfO2-laag, maar er was bewijs dat de HfO2-laag zich vermengde met de germaniumoxidelaag eronder, vorming van Hf-Ge-bindingen. De resultaten geven aan dat onderzoekers voorzichtig moeten zijn met het maken van aannames over bandoffset.

Dit onderzoek is gepubliceerd in de 27 november, 2012, online editie van Technische Natuurkunde Brieven .