L'introduction d'une couche intermédiaire d'oxyde d'hafnium réduit les fuites d'électrons entre les couches d'oxyde de germanium et de titane, ce qui peut améliorer l'efficacité énergétique et la fiabilité.
(Phys.org) — Le fondement de beaucoup, de nombreux appareils électroniques modernes - y compris les ordinateurs, téléphones intelligents, et les téléviseurs – est le transistor au silicium. Cependant, le rétrécissement de l'électronique grand public pousse les chercheurs à étudier des matériaux qui peuvent produire des transistors plus minces. Chez NSLS, les chercheurs ont utilisé les rayons X pour sonder le comportement électronique d'une structure de transistor à base de germanium, fournissant des informations importantes qui guideront les futures études sur la façon de réduire la taille des transistors.
Un transistor est essentiellement un interrupteur qui régule le flux de courant. Lorsqu'une certaine tension de seuil est appliquée à ses bornes, flux de courant; en dessous, le courant ne passe pas. Un transistor très courant consiste en une couche très mince (à l'échelle du nanomètre) d'un oxyde (généralement de l'oxyde de silicium, SiO2) entre un substrat de silicium et une électrode métallique.
Le germanium (Ge) est préféré pour remplacer le silicium en partie parce que les porteurs de charge s'y déplacent beaucoup plus rapidement que dans le silicium (Si). Mais le plus gros problème est la couche d'oxyde :lorsque SiO2 approche une épaisseur d'un nanomètre, les électrons commencent à "fuir" à travers elle (résultat de l'étrange phénomène physique de l'effet tunnel de la mécanique quantique), entraînant une consommation électrique excessive et une fiabilité médiocre. Les transistors qui utilisent SiO2 ne peuvent pas répondre à la demande des consommateurs pour des appareils plus rapides.
Récemment, des entreprises comme Intel fabriquent leurs transistors à l'aide d'oxyde d'hafnium (HfO2), qui peut être plus mince et toujours performant. Il a une "constante diélectrique" plus élevée (en abrégé K), qui est la valeur qui détermine la robustesse de tout oxyde contre les fuites :plus la valeur de K est élevée, plus la fuite est faible. Cependant, même le HfO2 fuit lorsqu'il est trop fin.
Les chercheurs étudient les oxydes avec des valeurs K plus élevées, lequel, lorsqu'il est combiné avec du germanium, pourrait donner un transistor plus adapté à l'électronique de demain. Mais le candidat le plus prometteur, oxyde de titane (TiO2), a également fui trop de courant lorsqu'il est placé dans des structures de test, ou "hétérojonctions, " que les structures contiennent du Si ou du Ge.
Cette fuite était le résultat d'un "décalage de bande" trop petit. Cela signifie que les bandes de conduction TiO2 n'étaient pas suffisamment séparées des bandes Si et Ge, permettant aux électrons de fuir du Si ou du Ge vers le TiO2. Un décalage de large bande est indispensable lorsque les couches sont si fines, aider à empêcher les électrons de se déplacer entre eux. Un groupe de recherche (dirigé par Christophe Detavernier à l'Université de Gand en Belgique) a trouvé une bonne solution :ajouter une fine "intercouche" intermédiaire à leurs hétérojonctions avant de déposer la couche de TiO2. L'intercalaire a un décalage de bande plus raisonnable. L'étude NSLS a utilisé ce développement comme point de départ.
"Par ici, vous obtenez le meilleur des deux :le bon décalage de bande de l'intercalaire et la constante diélectrique élevée de l'oxyde de titane, " a déclaré Abdul Rumaiz, scientifique de la NSLS, l'auteur principal de l'étude. "Toutefois, avec la mise à l'échelle des appareils à des tailles plus petites, l'épaisseur de l'intercalaire doit être inférieure à un nanomètre. Il est donc très crucial de comprendre les décalages de bande à des dimensions aussi réduites."
Rumaiz et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST), Université de Gand, Université Quaid-i-Azam (Pakistan), et l'Université du Delaware a étudié comment l'épaisseur de l'intercalaire affectait les décalages de bande. En utilisant des rayons X sur la ligne de lumière X24A, qui est géré par le NIST, ils ont étudié des structures de transistors à base de germanium contenant du TiO2 et une couche intermédiaire d'oxyde d'hafnium (HfO2). Ce travail et les études futures seront importants pour déterminer à quel point les couches peuvent être minces tout en produisant un transistor hautement performant.
L'équipe a créé six échantillons avec différentes épaisseurs d'intercalaire, de 0,4 nanomètres (nm) à 3 nm, et une épaisseur fixe de TiO2 de 2 nm. Ils ont étudié la structure par spectroscopie photoélectronique à rayons X durs, ou HAXPES, une technique qui mesure les électrons qu'un matériau émet lorsqu'il est exposé à un faisceau de rayons X (durs) de haute énergie. Ces mesures peuvent renseigner les scientifiques sur les propriétés électroniques globales d'un matériau et également révéler des informations sur les interfaces entre les matériaux.
Ils ont commencé avec une plaquette de germanium, qui a formé une couche "d'oxyde natif" très mince après exposition à l'oxygène. En plus de l'oxyde natif, l'équipe a ajouté le HfO2 puis l'oxyde de titane (TiO2) en utilisant une technique appelée dépôt de couche atomique.
L'analyse HAXPES a montré que lorsque l'épaisseur de l'intercalaire augmente, les décalages de bande ont également augmenté. Il a révélé plusieurs autres détails électroniques et structurels, trop. Par exemple, l'oxyde natif de germanium est passé à un état d'oxydation supérieur, ce qui signifie qu'il a perdu des électrons et a également augmenté en épaisseur. Il n'y avait aucune preuve que la couche de TiO2 se mélangeait à la couche de HfO2, mais il y avait des preuves que la couche de HfO2 s'est mélangée à la couche d'oxyde de germanium en dessous, formant des liaisons Hf-Ge. Les résultats indiquent que les chercheurs doivent être prudents lorsqu'ils formulent des hypothèses sur le décalage de bande.
Cette recherche est publiée dans le 27 novembre 2012, édition en ligne de Lettres de physique appliquée .
