Forskare har tagit en vanlig komponent av digitala enheter och försett den med en tidigare oobserverad förmåga, öppnar dörren till en ny generation av silikonbaserade elektroniska enheter.

Medan digitala kretsar i datorer och mobiltelefoner blir mindre och processorer går snabbare och snabbare, gränserna närmar sig, och forskare världen över arbetar för att utöka eller gå längre än dagens teknik, känd som komplementär metalloxid-halvledare eller CMOS-teknik.

I en forskningsartikel publicerad i juli 2019 i Fysiska granskningsbrev , forskarna förklarar hur de skapade en metalloxid - "MO" i "CMOS" - utrustad med en ytterligare viktig funktion. Istället för att bara vara ett passivt element i på/av-omkopplaren i en CMOS-transistor, den nya metalloxiden aktiverar elektriskt strömflöde helt av sig själv. Upptäckten kan en dag hjälpa till att flytta datoranvändning till en era som ofta kallas "bortom CMOS".

Oxidmaterialet skapar ström i närliggande ren, "odopat" kisel, elektronikindustrins arbetshästhalvledare. Konduktiviteten i kisel sker i ett mycket tunt område bara nio atomlager tjockt. Du måste stapla 100, 000 sådana lager lika med bredden på ett människohår.

Denna förmåga – att inducera ström i kisel – markerar ett stort steg framåt för ett material som tidigare har ansetts vara av begränsat värde; den har utfört på- och avstängningsuppgifterna för en isolator mycket bra, men den har inte beaktats för den avgörande strömskapande kapacitet som alla transistorer är beroende av.

"Det faktum att en oxid, länge endast använt som ett passivt element i halvledarenheter, kan också vara ett aktivt element är nytt och spännande, sa Scott Chambers, en av författarna och en forskare vid Department of Energy (DOE) Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Halvledarmätningar på odds

Resultatet är så oväntat att forskarna som gjorde arbetet, på PNNL, University of Texas (UT)-Arlington, och på andra ställen, tillbringade månader med att försöka förstå vilket misstag de kan ha gjort, innan de bekräftade genom ett antal tester att deras oväntade resultat var bra.

Flera mätningar av den invecklade halvledarstrukturen, känd som en heterojunction, visade forskarnas behärskning:Gränsen mellan metalloxiden känd som strontiumtitanat och kisel var skarp. Atomrad för atomrad, heteroövergången framställd vid UT-Arlington genom en process som kallas molekylär strålepitaxi verkade nästan perfekt.

Bortsett från, det är, för några överraskande spektrallinjer, resultatet av att sondera provet med röntgenljus. Spektran visade oväntade egenskaper för en nästan felfri struktur.

Teamet på PNNL kontrollerade och återkontrollerade sina röntgenmätningar. Kanske hade det förekommit kontaminering av en av ingredienserna. Kanske någon misslyckades med att öppna syreventilen tillräckligt bred under oxidfilmens tillväxt. Kanske fungerar inte instrumenten som de ska. Eller så kanske de hade skapat andra material än det de tänkt sig.

Men allt checkade ut.

"De uppgifter vi hade var motsägelsefulla och till synes bisarra, ", sa Chambers. "Med de flesta mått hade vi skapat ett material som var nästan perfekt, men en annan viktig mätning tycktes indikera att vårt material var en enda röra."

Det var då som Chambers bestämde sig för att seriöst titta på en annan möjlighet – att alla mätningar var korrekta och att den skiktade strukturen är central för transistorer, och datorchips, och andra digitala enheter av alla typer var inte defekta. Snarare, kan det finnas något tidigare okänt som skulle förklara de mystiska mätningarna?

Verkligen, det var.

Nudlar över röntgenspektra, Chambers insåg att resultaten kunde förklaras av närvaron av oväntade elektriska fält skapade av ett flöde av elektroner över korsningen mellan kisel och strontiumtitanat.

Egentliga syreatomer

Det visade sig att ett mycket litet antal syreatomer från strontiumtitanatet hade tagit sig in i kislet. Teamet hade oavsiktligt dopat kisel med syre, vilket resulterar i elektronöverföring från kisel till strontiumtitanat, och skapandet av en elektrisk ström av "hål" (saknade elektroner) i kislets översta atomplan.

Det var inget lätt pussel att lösa. Att göra så, teamet var tvungen att utveckla ett nytt sätt att förstå sina mätningar. Insignal från högenergielektrondiffraktion, röntgenkristallografi, och högupplöst transmissionselektronmikroskopi visade alla att materialet var nästan perfekt, men mätningar från röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) tycktes tyda på något annat.

XPS fungerar genom att lysa högenergiljus – i det här fallet röntgenstrålar – på ett material och sedan mäta vad som händer, bedömt av energierna och intensiteterna hos de elektroner som emitteras.

Forskare kan lära sig mycket genom att slå ett prov med röntgenstrålar. Tänk på vad som händer på en fullsatt krog när ett rockband börjar spela. Vissa besökare kommer att klappa, andra kommer att gå mot utgångarna, och några kanske tar upp sina instrument och går med. För forskare som slår ett prov med röntgenstrålar, att analysera elektronerna som kommer ut är viktigt för att förstå vilka atomer som finns, vilken kemisk bindningsmiljö de befinner sig i, och vad det övergripande energilandskapet är inom ett material. Dock, Att ta bort energilandskapet från rådata är en stor utmaning.

Chambers utvecklade en uppsättning hypoteser och ett konceptuellt sätt att tolka XPS-resultaten i termer av närvaron av stora elektriska fält i materialet. Han vände sig sedan till PNNL-kollegan Peter Sushko, en expertmodellerare av komplexa fasta material, att skriva en datorkod för att lösa ekvationerna förknippade med begreppet och bestämma de elektriska fältens egenskaper.

Sushko utvecklade en algoritm som tilldelar miljontals möjliga elektriska fältvärden till de olika atomskikten och simulerar spektra som skulle resultera för varje uppsättning. En speciell uppsättning passade teamets experimentella spektra exakt:Teamet hade visat att de märkliga XPS-data stämde överens med närvaron och styrkorna hos elektriska fält som skulle ge upphov till en hålström i kislet, precis som Chambers misstänkte.

"Vi upptäckte att energilandskapen som kom från korrekt tolkning av vår XPS med denna nya algoritm var precis vad som skulle behöva finnas för att generera den konduktivitet vi observerade, sa Chambers.

"Peters datorkod gjorde det möjligt för oss att hitta den unika uppsättningen av elektriska fältvärden som förklarar all vår data - i sanning en nål i en höstack. De avgörande uppgifterna i ett experiment som detta kan samlas in på några timmar, men det tog ett år av tänkande och analys att tolka dem, " han lade till.

Resultaten bekräftades av Chambers och motsvarande författare Joseph H. Ngai från UT-Arlington med helt oberoende metoder.

Ingen MOSFET-revolution – ännu

Chambers och Ngai förväntar sig inte att detta fynd omedelbart kommer att revolutionera halvledarindustrin eller tillverkningen av MOSFETs (metalloxid-halvledarfälteffekttransistorer). Men denna grundläggande vetenskap öppnar en ny dörr i "bortom CMOS"-världen, och algoritmen som teamet skapade för att förstå resultaten ger forskare ett nytt verktyg för att undersöka skiktade strukturer av alla slag, inte bara för en oxid på kisel.