(Phys.org) – Grunden för många, många moderna elektroniska enheter – inklusive datorer, smarta telefoner, och tv - är kiseltransistorn. Dock, krympningen av hemelektronik driver forskare att undersöka material som kan ge tunnare transistorer. På NSLS, Forskare har använt röntgenstrålar för att undersöka det elektroniska beteendet hos en germaniumbaserad transistorstruktur, ger viktig information som kommer att vägleda framtida studier av hur man gör transistorer mindre.

En transistor är i huvudsak en omkopplare som reglerar strömflödet. När en viss tröskelspänning appliceras över den, strömflöden; under det, ström går inte. En mycket vanlig transistor består av ett mycket tunt (nanometerskala) lager av en oxid (typiskt kiseloxid, SiO2) mellan ett kiselsubstrat och en metallelektrod.

Germanium (Ge) föredras för att ersätta kisel delvis eftersom laddningsbärare rör sig mycket snabbare inom det än i kisel (Si). Men det större problemet är oxidskiktet:När SiO2 närmar sig en tjocklek på en nanometer, elektroner börjar "läcka" genom den (ett resultat av det märkliga fysikfenomenet med kvantmekanisk tunnling), leder till överströmförbrukning och dålig tillförlitlighet. Transistorer som använder SiO2 kan inte hålla jämna steg med konsumenternas efterfrågan på snyggare, snabbare enheter.

Nyligen, företag som Intel har tillverkat sina transistorer med hafniumoxid (HfO2), som kan vara tunnare och ändå fungera bra. Den har en högre "dielektrisk konstant" (förkortat K), vilket är värdet som bestämmer robustheten hos en oxid mot läckage:ju högre värdet på K, ju lägre läckage. Dock, även HfO2 blir läckande när det är för tunt.

Forskare undersöker oxider med högre K-värden, som, i kombination med germanium, skulle kunna ge en transistor mer lämpad för morgondagens elektronik. Men den mest lovande kandidaten, titanoxid (TiO2), läckte också för mycket ström när den placerades i teststrukturer, eller "heterojunctions, " oavsett om strukturerna innehöll Si eller Ge.

Den läckan var resultatet av en för liten "bandoffset". Detta betyder att TiO2-ledningsbanden inte var tillräckligt separerade från Si- och Ge-banden, låter elektroner läcka från Si eller Ge till TiO2. En stor bandförskjutning är viktig när skikten är så tunna, hjälper till att förhindra att elektroner rör sig mellan dem. En forskargrupp (ledd av Christophe Detavernier vid Gents universitet i Belgien) har hittat en bra lösning:att lägga till ett tunt mellanliggande "mellanskikt" till deras heterojunctions innan TiO2-skiktet deponeras. Mellanskiktet har en mer rimlig bandförskjutning. NSLS-studien har använt denna utveckling som en utgångspunkt.

"Den här vägen, du får det bästa av båda:den bra bandförskjutningen från mellanskiktet och den höga dielektriska konstanten för titanoxid, " sa NSLS-forskaren Abdul Rumaiz, studiens huvudförfattare. "Dock, med skalning av enheter till mindre storlekar, mellanskiktets tjocklek måste vara mindre än en nanometer. Därför är det mycket viktigt att förstå bandförskjutningarna vid sådana reducerade dimensioner."

Rumaiz och kollegor från National Institute of Standards and Technology (NIST), Gent universitet, Quaid-i-Azam University (Pakistan), och University of Delaware studerade hur mellanskiktets tjocklek påverkade bandförskjutningar. Använda röntgenstrålar vid strållinjen X24A, som drivs av NIST, de undersökte germaniumbaserade transistorstrukturer innehållande TiO2 och ett hafniumoxid (HfO2) mellanskikt. Detta arbete och framtida studier kommer att vara viktiga för att bestämma hur tunna skikten kan vara samtidigt som de ger en högpresterande transistor.

Teamet skapade sex prover med olika mellanskiktstjocklekar, från 0,4 nanometer (nm) till 3 nm, och en fast TiO2-tjocklek på 2 nm. De studerade strukturen med hårdröntgenfotoelektronspektroskopi, eller HAXPES, en teknik som mäter de elektroner ett material avger när det utsätts för en stråle av högenergi (hård) röntgenstrålar. Dessa mätningar kan berätta för forskare om de elektroniska egenskaperna hos ett material och även avslöja information om gränssnitten mellan material.

De började med en germaniumrån, som bildade ett mycket tunt "nativ oxid"-skikt efter exponering för syre. På toppen av den naturliga oxiden, teamet lade till HfO2 och sedan titanoxiden (TiO2) med en teknik som kallas atomskiktsavsättning.

HAXPES-analysen visade att när tjockleken på mellanskiktet ökade, bandoffset ökade också. Det avslöjade flera andra elektroniska och strukturella detaljer, för. Till exempel, den naturliga germaniumoxiden skiftade till ett högre oxidationstillstånd, vilket betyder att den förlorade elektroner och även ökade i tjocklek. Det fanns inga bevis för att TiO2-skiktet blandas med HfO2-skiktet, men det fanns bevis för att HfO2-skiktet blandades med germaniumoxidskiktet under det, bildar Hf-Ge-bindningar. Resultaten tyder på att forskare måste vara försiktiga med att göra antaganden om bandförskjutning.

Denna forskning publicerades den 27 november, 2012, onlineupplaga av Bokstäver i tillämpad fysik .