Les scientifiques ont pris un composant commun des appareils numériques et l'ont doté d'une capacité auparavant non observée, ouvrant la porte à une nouvelle génération d'appareils électroniques à base de silicium.

Alors que les circuits numériques des ordinateurs et des téléphones portables deviennent de plus en plus petits et que les processeurs vont de plus en plus vite, les limites approchent, et les scientifiques du monde entier s'efforcent d'étendre ou d'aller au-delà de la technologie d'aujourd'hui, connue sous le nom de technologie complémentaire métal-oxyde semi-conducteur ou CMOS.

Dans un article de recherche publié en juillet 2019 dans Lettres d'examen physique , les scientifiques expliquent comment ils ont créé un oxyde métallique – le « MO » dans « CMOS » – doté d'une fonction supplémentaire importante. Au lieu d'être simplement un élément passif de l'interrupteur marche-arrêt dans un transistor CMOS, le nouvel oxyde métallique active le flux de courant électrique tout seul. Cette découverte pourrait un jour aider à faire entrer l'informatique dans une ère souvent appelée « au-delà du CMOS ».

Le matériau d'oxyde crée du courant à proximité pure, silicium "non dopé", le semi-conducteur bourreau de travail de l'industrie électronique. La conductivité dans le silicium a lieu dans une région très mince d'à peine neuf couches atomiques. Vous auriez besoin d'empiler 100, 000 de ces couches égales à la largeur d'un cheveu humain.

Cette capacité à induire du courant dans le silicium marque une avancée majeure pour un matériau jusqu'alors considéré comme d'une valeur limitée; il a très bien rempli les fonctions marche-arrêt d'un isolant, mais il n'a pas été pris en compte pour la capacité cruciale de création de courant sur laquelle reposent tous les transistors.

"Le fait qu'un oxyde, longtemps utilisé uniquement comme élément passif dans les dispositifs à semi-conducteurs, peut aussi être un élément actif est nouveau et intrigant, " a déclaré Scott Chambers, l'un des auteurs et un scientifique du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère de l'Énergie (DOE).

Mesures de semi-conducteurs en désaccord

Le résultat est si inattendu que les scientifiques qui ont fait le travail, au PNNL, l'Université du Texas (UT)-Arlington, et ailleurs, passé des mois à essayer de comprendre quelle erreur ils ont pu commettre, avant de confirmer par une batterie de tests que leurs résultats inattendus étaient solides.

Plusieurs mesures de la structure semi-conductrice complexe, connue sous le nom d'hétérojonction, a démontré la maîtrise des scientifiques :la frontière entre l'oxyde métallique connu sous le nom de titanate de strontium et le silicium était nette. Ligne atomique par ligne atomique, l'hétérojonction préparée à UT-Arlington par un procédé connu sous le nom d'épitaxie par faisceau moléculaire semblait presque parfaite.

Sauf, C'est, pour des raies spectrales surprenantes, le résultat du sondage de l'échantillon avec la lumière des rayons X. Les spectres ont montré des caractéristiques inattendues pour une structure presque parfaite.

L'équipe du PNNL a vérifié et revérifié ses mesures radiographiques. Peut-être y avait-il eu contamination de l'un des ingrédients. Peut-être que quelqu'un n'a pas ouvert la valve à oxygène suffisamment pendant la croissance du film d'oxyde. Peut-être que les instruments ne fonctionnaient pas correctement. Ou peut-être avaient-ils créé des matériaux différents de celui qu'ils avaient prévu.

Mais tout vérifié.

"Les données que nous avions étaient contradictoires et apparemment bizarres, " a déclaré Chambers. " Par la plupart des mesures, nous avions créé un matériau qui était presque parfait, mais une autre mesure importante semblait indiquer que notre matériel était un gâchis."

C'est alors que Chambers a décidé d'examiner sérieusement une autre possibilité - que toutes les mesures étaient exactes et que la structure en couches centrale des transistors, et puces informatiques, et d'autres appareils numériques de tous types n'était pas défectueux. Plutôt, pourrait-il y avoir quelque chose d'inconnu qui expliquerait les mesures mystérieuses ?

En effet, il y avait.

Noodling sur les spectres de rayons X, Chambers s'est rendu compte que les résultats pouvaient s'expliquer par la présence de champs électriques inattendus créés par un flux d'électrons à travers la jonction entre le silicium et le titanate de strontium.

Atomes d'oxygène capricieux

Il s'est avéré qu'un très petit nombre d'atomes d'oxygène du titanate de strontium avaient pénétré dans le silicium. L'équipe avait involontairement dopé du silicium avec de l'oxygène, entraînant un transfert d'électrons du silicium vers le titanate de strontium, et la création d'un courant électrique de "trous" (électrons manquants) dans les plans atomiques supérieurs du silicium.

Ce n'était pas une énigme facile à résoudre. Faire cela, l'équipe a dû développer une nouvelle façon de comprendre ses mesures. Entrée de diffraction électronique à haute énergie, Cristallographie aux rayons X, et la microscopie électronique à transmission à haute résolution ont tous indiqué que le matériau était presque parfait, mais les mesures de la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) semblaient indiquer le contraire.

XPS fonctionne en projetant une lumière à haute énergie (dans ce cas des rayons X) sur un matériau, puis en mesurant ce qui se passe, à en juger par les énergies et les intensités des électrons émis.

Les scientifiques peuvent apprendre beaucoup en frappant un échantillon avec des rayons X. Pensez à ce qui se passe dans une taverne bondée lorsqu'un groupe de rock commence à jouer. Certains clients applaudiront, d'autres se dirigeront vers les sorties, et certains pourraient prendre leurs instruments et participer. Pour les scientifiques frappant un échantillon avec des rayons X, analyser les électrons qui sortent est important pour comprendre quels atomes sont présents, dans quel environnement de liaison chimique ils se trouvent, et quel est le paysage énergétique global au sein d'un matériau. Cependant, dénicher le paysage énergétique à partir des données brutes est un défi majeur.

Chambers a développé un ensemble d'hypothèses et une manière conceptuelle d'interpréter les résultats XPS en termes de présence de champs électriques importants dans le matériau. Il s'est ensuite tourné vers son collègue du PNNL Peter Sushko, un modélisateur expert de matériaux solides complexes, écrire un code informatique pour résoudre les équations associées au concept et déterminer les propriétés des champs électriques.

Sushko a développé un algorithme qui attribue des millions de valeurs de champ électrique possibles aux différentes couches atomiques et simule les spectres qui en résulteraient pour chaque ensemble. Un ensemble particulier correspondait exactement aux spectres expérimentaux de l'équipe :l'équipe avait montré que les données XPS étranges étaient cohérentes avec la présence et l'intensité des champs électriques qui donneraient lieu à un courant de trou dans le silicium, comme Chambers le soupçonnait.

"Nous avons découvert que les paysages énergétiques résultant de l'interprétation correcte de notre XPS à l'aide de ce nouvel algorithme étaient précisément ce qui devrait être présent pour générer la conductivité que nous observions, " dit Chambers.

"Le code informatique de Peter nous a permis de trouver cet ensemble unique de valeurs de champ électrique qui explique toutes nos données - vraiment une aiguille dans une botte de foin. Les données cruciales dans une expérience comme celle-ci peuvent être recueillies en quelques heures, mais il a fallu un an de réflexion et d'analyse pour les interpréter, " il ajouta.

Les résultats ont été corroborés par Chambers et l'auteur correspondant Joseph H. Ngai de UT—Arlington en utilisant des méthodes complètement indépendantes.

Pas encore de révolution MOSFET

Chambers et Ngai ne s'attendent pas à ce que cette découverte révolutionne immédiatement l'industrie des semi-conducteurs ou la fabrication des MOSFET (transistors à effet de champ à semi-conducteur métal-oxyde). Mais cette science fondamentale ouvre une nouvelle porte dans le monde "au-delà du CMOS", et l'algorithme créé par l'équipe pour comprendre les résultats donne aux scientifiques un nouvel outil pour sonder les structures en couches de toutes sortes, pas seulement ceux d'un oxyde sur silicium.