驚喜發(fā)現(xiàn)揭示了半導(dǎo)體材料的新能力

科學(xué)家們采用了數(shù)字設(shè)備的一個共同組成部分，賦予它以前未被觀察到的能力，為新一代硅基電子設(shè)備打開了大門。

雖然計算機和手機中的數(shù)字電路變得越來越小，處理器越來越快，但是極限正在接近，全世界的科學(xué)家們正在努力擴展或超越當(dāng)今的技術(shù)，即互補金屬氧化物半導(dǎo)體或CMOS技術(shù)。

在2019年7月發(fā)表在“ 物理評論快報”上的一篇研究文章中，科學(xué)家們解釋了他們是如何創(chuàng)造出一種金屬氧化物 - “CMOS”中的“MO” - 具有另外一項重要功能。新金屬氧化物不是簡單地作為CMOS晶體管中的通斷開關(guān)的無源元件，而是自動激活電流。這一發(fā)現(xiàn)有一天可能有助于將計算推向一個通常被稱為“超越CMOS”的時代。

氧化物材料在附近純凈的“未摻雜” 硅中產(chǎn)生電流，這是電子工業(yè)中的主要半導(dǎo)體。硅中的導(dǎo)電性發(fā)生在僅9個原子層厚的非常薄的區(qū)域中。你需要堆疊100,000個這樣的層等于人類頭發(fā)的寬度。

這種在硅中感應(yīng)電流的能力標(biāo)志著以前被認(rèn)為價值有限的材料向前邁出了重要一步; 它已經(jīng)非常好地完成了絕緣子的開關(guān)功能，但尚未考慮所有晶體管所依賴的關(guān)鍵電流產(chǎn)生能力。

“長期以來僅用作半導(dǎo)體器件中無源元件的氧化物也可以成為一種活躍元素的事實是新的和有趣的，”斯科特錢伯斯說，他是能源部(DOE)Pacific的作者之一和科學(xué)家。西北實驗室(PNNL)。

半導(dǎo)體測量不一致

結(jié)果出乎意料的是，在PNNL，德克薩斯大學(xué)(UT) - 阿靈頓和其他地方完成這項工作的科學(xué)家花了幾個月的時間試圖了解他們可能犯了什么錯誤，然后通過一系列的測試確認(rèn)他們的意外的結(jié)果是合理的。

對復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的幾次測量，稱為異質(zhì)結(jié)，證明了科學(xué)家的精通：被稱為鈦酸鍶的金屬氧化物與硅之間的界限是清晰的。通過原子行的原子行，在UT-Arlington通過稱為分子束外延的過程制備的異質(zhì)結(jié)看起來幾乎是完美的。

除了，對于一些令人驚訝的光譜線，用X射線光探測樣品的結(jié)果。光譜顯示出近乎無瑕疵的結(jié)構(gòu)的意外特征。

PNNL的團(tuán)隊檢查并重新檢查了其X射線測量結(jié)果。也許有一種成分被污染了。也許有人在氧化膜生長期間未能將氧氣閥打開得足夠?qū)?。也許儀器操作不正常?；蛟S他們創(chuàng)造的材料不同于他們想要的材料。

但一切都檢查出來了。

錢伯斯說：“我們所擁有的數(shù)據(jù)是矛盾的，看似奇怪。” “通過大多數(shù)措施，我們創(chuàng)造了一種接近完美的材料，但另一個重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)似乎表明我們的材料是一團(tuán)糟。”

就在那時，錢伯斯決定認(rèn)真研究另一種可能性 - 所有測量都是準(zhǔn)確的，并且晶體管，計算機芯片和其他所有類型的數(shù)字設(shè)備的分層結(jié)構(gòu)都沒有缺陷。相反，是否會有一些以前未知的東西可以解釋神秘的測量?

的確，有。

通過對X射線光譜的研究，錢伯斯意識到結(jié)果可以通過電子流穿過硅和鈦酸鍶之間的連接處產(chǎn)生的意外電場的存在來解釋。

任性的氧原子

事實證明，來自鈦酸鍶的極少量氧原子已進(jìn)入硅中。該團(tuán)隊無意中摻雜了氧與硅，導(dǎo)致電子從硅轉(zhuǎn)移到鈦酸鍶，并在硅的最上面的原子平面中產(chǎn)生“空穴”(缺失電子)的電流。

這不是一個容易解決的難題。為此，該團(tuán)隊必須開發(fā)一種新方法來了解其測量結(jié)果。來自高能電子衍射，X射線晶體學(xué)和高分辨率透射電子顯微鏡的輸入都表明材料接近完美，但是X射線光電子能譜(XPS)的測量似乎表明不是這樣。

XPS通過照射高能光(在這種情況下是X射線)在材料上然后測量發(fā)生的情況來工作，這通過發(fā)射的電子的能量和強度來判斷。

科學(xué)家可以通過用X射線撞擊樣本來學(xué)習(xí)很多東西。想想搖滾樂隊開始演奏時擁擠的小酒館會發(fā)生什么。一些顧客會拍手，其他人會前往出口，有些人可能會拿起他們的儀器加入。對于科學(xué)家用X射線照射樣品，分析出來的電子對于理解原子存在的重要性，什么化學(xué)物質(zhì)很重要它們所處的粘合環(huán)境，以及材料中的整體能源格局。然而，從原始數(shù)據(jù)中挖掘出能源格局是一項重大挑戰(zhàn)。

錢伯斯開發(fā)了一套假設(shè)和概念方法來解釋XPS結(jié)果，即材料中存在大電場。然后他轉(zhuǎn)向PNNL同事Peter Sushko，他是復(fù)雜固體材料的專家建模師，編寫計算機代碼來解決與概念相關(guān)的方程并確定電場的特性。

Sushko開發(fā)了一種算法，可以為不同的原子層分配數(shù)百萬個可能的電場值，并模擬每組產(chǎn)生的光譜。一個特定的組合完全符合團(tuán)隊的實驗光譜：團(tuán)隊已經(jīng)證明奇怪的XPS數(shù)據(jù)與電場的存在和強度一致，這將導(dǎo)致硅中的空穴電流，就像錢伯斯所懷疑的那樣。

“我們發(fā)現(xiàn)，使用這種新算法正確解釋我們的XPS所產(chǎn)生的能量景觀正是產(chǎn)生我們觀察到的電導(dǎo)率所需要的，”錢伯斯說。

“彼得的計算機代碼讓我們找到了解決我們所有數(shù)據(jù)的獨特電場值集 - 真正成為大海撈針。這樣的實驗中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以在幾個小時內(nèi)收集，但需要一年時間思考和分析來解釋它們，“他補充道。

Chambers和UT-Arlington的通訊作者Joseph H. Ngai使用完全獨立的方法證實了這些結(jié)果。

還沒有MOSFET革命

Chambers和Ngai不希望這一發(fā)現(xiàn)立即徹底改變半導(dǎo)體工業(yè)或MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的制造。但是這種基礎(chǔ)科學(xué)在“超越CMOS”世界中打開了一扇新的大門，團(tuán)隊為了解結(jié)果而創(chuàng)建的算法為科學(xué)家提供了一種探測各種層狀結(jié)構(gòu)的新工具，而不僅僅是硅上氧化物的結(jié)構(gòu)。