L'introduzione di uno strato intermedio di ossido di afnio riduce la dispersione di elettroni tra gli strati di germanio e ossido di titanio, che può migliorare l'efficienza energetica e l'affidabilità.
(Phys.org) — Il fondamento di molti, molti dispositivi elettronici moderni, inclusi computer, smartphone, e televisori – è il transistor al silicio. Però, il restringimento dell'elettronica di consumo sta spingendo i ricercatori a studiare materiali in grado di produrre transistor più sottili. Alla NSLS, i ricercatori hanno utilizzato i raggi X per sondare il comportamento elettronico di una struttura a transistor a base di germanio, fornendo importanti informazioni che guideranno gli studi futuri su come ridurre le dimensioni dei transistor.
Un transistor è essenzialmente un interruttore che regola il flusso di corrente. Quando una certa tensione di soglia viene applicata su di essa, flussi di corrente; al di sotto di quello, la corrente non scorre. Un transistor molto comune è costituito da uno strato molto sottile (scala nanometrica) di un ossido (tipicamente ossido di silicio, SiO2) tra un substrato di silicio e un elettrodo metallico.
Il germanio (Ge) è favorito per sostituire il silicio in parte perché i portatori di carica si muovono molto più velocemente al suo interno rispetto al silicio (Si). Ma il problema più grande è lo strato di ossido:quando SiO2 si avvicina a uno spessore di un nanometro, gli elettroni iniziano a "perdere" attraverso di esso (un risultato dello strano fenomeno fisico del tunneling meccanico quantistico), portando a un consumo energetico eccessivo e a una scarsa affidabilità. I transistor che utilizzano SiO2 non possono tenere il passo con la domanda dei consumatori di più eleganti, dispositivi più veloci.
Recentemente, aziende come Intel hanno realizzato i loro transistor utilizzando l'ossido di afnio (HfO2), che può essere più sottile e comunque funzionare bene. Ha una "costante dielettrica" più alta (abbreviata K), che è il valore che determina la robustezza di un eventuale ossido alle perdite:maggiore è il valore di K, minore è la perdita. Però, anche l'HfO2 perde quando è troppo sottile.
I ricercatori stanno studiando ossidi con valori di K più alti, quale, quando combinato con germanio, potrebbe produrre un transistor più adatto all'elettronica di domani. Ma il candidato più promettente, ossido di titanio (TiO2), inoltre perdeva troppa corrente quando veniva collocato in strutture di prova, o "eterogiunzioni, " indipendentemente dal fatto che le strutture contenessero Si o Ge.
Quella perdita era il risultato di un "offset di banda" troppo piccolo. Ciò significa che le bande di conduzione del TiO2 non erano adeguatamente separate dalle bande del Si e del Ge, permettendo agli elettroni di fuoriuscire dal Si o Ge al TiO2. Un offset a banda larga è essenziale quando gli strati sono così sottili, aiutando a impedire agli elettroni di muoversi tra di loro. Un gruppo di ricerca (guidato da Christophe Detavernier dell'Università di Ghent in Belgio) ha trovato una buona soluzione:aggiungere un sottile "intercalare" intermedio alle loro eterogiunzioni prima di depositare lo strato di TiO2. L'intercalare ha un offset di banda più ragionevole. Lo studio NSLS ha utilizzato questo sviluppo come punto di partenza.
"Per di qua, si ottiene il meglio di entrambi:il buon offset di banda dall'intercalare e l'elevata costante dielettrica dell'ossido di titanio, ", ha affermato lo scienziato dell'NSLS Abdul Rumaiz, l'autore principale dello studio. "Però, con il ridimensionamento dei dispositivi a dimensioni più piccole, lo spessore dell'intercalare deve essere inferiore a un nanometro. Quindi è molto cruciale capire gli offset di banda a dimensioni così ridotte."
Rumaiz e colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST), Università di Gand, Università Quaid-i-Azam (Pakistan), e l'Università del Delaware ha studiato il modo in cui lo spessore dell'interstrato ha influito sugli offset delle bande. Utilizzando i raggi X alla linea di luce X24A, gestito dal NIST, hanno studiato le strutture di transistor a base di germanio contenenti TiO2 e uno strato intermedio di ossido di afnio (HfO2). Questo lavoro e gli studi futuri saranno importanti per determinare quanto sottili possano essere gli strati pur continuando a produrre un transistor ad alte prestazioni.
Il team ha creato sei campioni con diversi spessori di intercalare, da 0,4 nanometri (nm) a 3 nm, e uno spessore fisso di TiO2 di 2 nm. Hanno studiato la struttura con la spettroscopia fotoelettronica a raggi X duri, o HAXPES, una tecnica che misura gli elettroni emessi da un materiale quando esposto a un raggio di raggi X (duri) ad alta energia. Queste misurazioni possono raccontare agli scienziati le proprietà elettroniche di massa di un materiale e rivelare anche informazioni sulle interfacce tra i materiali.
Hanno iniziato con un wafer di germanio, che formava uno strato molto sottile di "ossido nativo" dopo l'esposizione all'ossigeno. Sopra l'ossido nativo, il team ha aggiunto l'HfO2 e poi l'ossido di titanio (TiO2) utilizzando una tecnica chiamata deposizione di strati atomici.
L'analisi HAXPES ha mostrato che all'aumentare dello spessore dell'intercalare, anche gli offset di banda sono aumentati. Ha rivelato molti altri dettagli elettronici e strutturali, pure. Per esempio, l'ossido nativo di germanio si è spostato in uno stato di ossidazione più elevato, il che significa che ha perso elettroni e anche aumentato di spessore. Non c'erano prove che lo strato di TiO2 si mescolasse con lo strato di HfO2, ma c'erano prove che lo strato di HfO2 si mescolava con lo strato di ossido di germanio sottostante, formazione di legami Hf-Ge. I risultati indicano che i ricercatori devono essere cauti nel fare ipotesi sull'offset di banda.
Questa ricerca è pubblicata il 27 novembre, 2012, edizione online di Lettere di fisica applicata .
