Gli scienziati hanno preso un componente comune dei dispositivi digitali e lo hanno dotato di una capacità precedentemente inosservata, aprendo le porte a una nuova generazione di dispositivi elettronici a base di silicio.

Mentre i circuiti digitali nei computer e nei telefoni cellulari stanno diventando più piccoli e i processori stanno diventando sempre più veloci, i limiti si avvicinano, e scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per estendere o andare oltre la tecnologia odierna, nota come semiconduttore a ossido di metallo complementare o tecnologia CMOS.

In un articolo di ricerca pubblicato nel luglio 2019 in Lettere di revisione fisica , gli scienziati spiegano come hanno creato un ossido di metallo, il "MO" in "CMOS", dotato di un'ulteriore importante funzione. Invece di essere semplicemente un elemento passivo dell'interruttore on-off in un transistor CMOS, il nuovo ossido metallico attiva da solo il flusso di corrente elettrica. La scoperta potrebbe un giorno aiutare a spostare l'informatica in un'era spesso chiamata "oltre il CMOS".

Il materiale di ossido crea corrente nelle vicinanze pure, silicio "non drogato", il cavallo di battaglia dei semiconduttori dell'industria elettronica. La conduttività nel silicio avviene in una regione molto sottile spessa appena nove strati atomici. Avresti bisogno di impilare 100, 000 tali strati pari alla larghezza di un capello umano.

Questa capacità di indurre corrente nel silicio segna un importante passo avanti per un materiale che in precedenza era considerato di valore limitato; ha svolto egregiamente le funzioni on-off di un isolante ma non è stato considerato per la cruciale capacità di creare corrente su cui si basano tutti i transistor.

"Il fatto che un ossido, a lungo utilizzato solo come elemento passivo nei dispositivi a semiconduttore, può essere anche un elemento attivo è nuovo e intrigante, " ha detto Scott Chambers, uno degli autori e uno scienziato presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Department of Energy (DOE).

Misure di semiconduttori in disaccordo

Il risultato è così inaspettato che gli scienziati che hanno svolto il lavoro, al PNNL, l'Università del Texas (UT)-Arlington, e altrove, passato mesi a cercare di capire quale errore avrebbero potuto fare, prima di confermare attraverso una serie di test che i loro risultati inaspettati erano validi.

Diverse misurazioni dell'intricata struttura a semiconduttore, noto come eterogiunzione, ha dimostrato la maestria degli scienziati:il confine tra l'ossido di metallo noto come titanato di stronzio e il silicio era netto. Riga atomica per riga atomica, l'eterogiunzione preparata a UT-Arlington con un processo noto come epitassia a fascio molecolare sembrava quasi perfetta.

Tranne, questo è, per alcune sorprendenti righe spettrali, il risultato del sondaggio del campione con luce a raggi X. Gli spettri hanno mostrato caratteristiche inaspettate per una struttura quasi impeccabile.

Il team del PNNL ha controllato e ricontrollato le sue misurazioni a raggi X. Forse c'era stata una contaminazione di uno degli ingredienti. Forse qualcuno non è riuscito ad aprire abbastanza la valvola dell'ossigeno durante la crescita del film di ossido. Forse gli strumenti non funzionavano correttamente. O forse avevano creato materiali diversi da quello che intendevano.

Ma tutto è stato verificato.

"I dati che avevamo erano contraddittori e apparentemente bizzarri, "ha detto Chambers. "Per la maggior parte delle misure avevamo creato un materiale che era quasi perfetto, ma un'altra importante misurazione sembrava indicare che il nostro materiale era un disastro."

Fu allora che Chambers decise di prendere seriamente in considerazione un'altra possibilità:che tutte le misurazioni fossero accurate e che la struttura a strati centrale dei transistor, e chip per computer, e altri dispositivi digitali di tutti i tipi non erano difettosi. Piuttosto, potrebbe esserci qualcosa di precedentemente sconosciuto che spiegherebbe le misteriose misurazioni?

Infatti, c'era.

Noodles sugli spettri dei raggi X, Chambers si rese conto che i risultati potevano essere spiegati dalla presenza di campi elettrici inaspettati creati da un flusso di elettroni attraverso la giunzione tra il silicio e il titanato di stronzio.

Atomi di ossigeno ribelli

Si è scoperto che un numero molto piccolo di atomi di ossigeno dal titanato di stronzio si era fatto strada nel silicio. Il team aveva involontariamente drogato il silicio con l'ossigeno, con conseguente trasferimento di elettroni dal silicio al titanato di stronzio, e la creazione di una corrente elettrica di "buchi" (elettroni mancanti) nei piani atomici superiori del silicio.

Non è stato un enigma facile da risolvere. Fare così, il team ha dovuto sviluppare un nuovo modo per comprendere le sue misurazioni. Input da diffrazione elettronica ad alta energia, Cristallografia a raggi X, e la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione indicavano che il materiale era quasi perfetto, ma le misurazioni della spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) sembravano indicare il contrario.

XPS funziona proiettando luce ad alta energia, in questo caso raggi X, su un materiale e quindi misurando ciò che accade, come giudicato dalle energie e intensità degli elettroni che vengono emessi.

Gli scienziati possono imparare molto colpendo un campione con i raggi X. Pensa a cosa succede in una taverna affollata quando una rock band inizia a suonare. Alcuni clienti applaudiranno, altri si dirigeranno verso le uscite, e alcuni potrebbero prendere i loro strumenti e unirsi a loro. Per gli scienziati che colpiscono un campione con i raggi X, analizzare gli elettroni che escono è importante per capire quali atomi sono presenti, in quale ambiente di legame chimico si trovano, e quale sia il panorama energetico complessivo all'interno di un materiale. Però, scovare il panorama energetico dai dati grezzi è una sfida importante.

Chambers ha sviluppato una serie di ipotesi e un modo concettuale per interpretare i risultati dell'XPS in termini di presenza di grandi campi elettrici nel materiale. Si è poi rivolto al collega della PNNL Peter Sushko, un esperto modellatore di materiali solidi complessi, scrivere un codice informatico per risolvere le equazioni associate al concetto e determinare le proprietà dei campi elettrici.

Sushko ha sviluppato un algoritmo che assegna milioni di possibili valori di campo elettrico ai diversi strati atomici e simula gli spettri che risulterebbe per ogni set. Un particolare set si adattava esattamente agli spettri sperimentali del team:il team aveva dimostrato che gli strani dati XPS erano coerenti con la presenza e l'intensità dei campi elettrici che avrebbero dato origine a un buco di corrente nel silicio, proprio come Chambers sospettava.

"Abbiamo scoperto che i paesaggi energetici che derivavano dall'interpretazione corretta del nostro XPS utilizzando questo nuovo algoritmo erano esattamente ciò che avrebbe dovuto essere presente per generare la conduttività che stavamo osservando, " ha detto Chambers.

"Il codice del computer di Peter ci ha permesso di trovare quel set unico di valori del campo elettrico che spiega tutti i nostri dati:un vero ago in un pagliaio. I dati cruciali in un esperimento come questo possono essere raccolti in poche ore, ma ci è voluto un anno di riflessione e analisi per interpretarli, " Ha aggiunto.

I risultati sono stati confermati da Chambers e dall'autore corrispondente Joseph H. Ngai di UT-Arlington utilizzando metodi completamente indipendenti.

Nessuna rivoluzione MOSFET—ancora

Chambers e Ngai non si aspettano che questa scoperta rivoluzioni immediatamente l'industria dei semiconduttori o la fabbricazione di MOSFET (transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo). Ma questa scienza fondamentale apre una nuova porta nel mondo "oltre il CMOS", e l'algoritmo creato dal team per comprendere i risultati offre agli scienziati un nuovo strumento per sondare strutture stratificate di ogni tipo, non solo quelli per un ossido su silicio.