科技资讯:惊喜发现揭示了半导体材料的新能力

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新时代高科技不计其数越来越发达,小伙伴们看过不少科技新闻吧,在我们生活中应该也用到很多这些高科技东西,有哪些小伙伴值的关注的呢,今天就跟大家分享一篇有关科技方面知识,希望大家会喜欢。

科学家们采用了数字设备的一个共同组成部分,赋予它以前未被观察到的能力,为新一代硅基电子设备打开了大门。

虽然计算机和手机中的数字电路变得越来越小,处理器越来越快,但是极限正在接近,全世界的科学家们正在努力扩展或超越当今的技术,即互补金属氧化物半导体或CMOS技术。

在2019年7月发表在“ 物理评论快报”上的一篇研究文章中,科学家们解释了他们是如何创造出一种金属氧化物 - “CMOS”中的“MO” - 具有另外一项重要功能。新金属氧化物不是简单地作为CMOS晶体管中的通断开关的无源元件,而是自动激活电流。这一发现有一天可能有助于将计算推向一个通常被称为“超越CMOS”的时代。

氧化物材料在附近纯净的“未掺杂” 硅中产生电流,这是电子工业中的主要半导体。硅中的导电性发生在仅9个原子层厚的非常薄的区域中。你需要堆叠100,000个这样的层等于人类头发的宽度。

这种在硅中感应电流的能力标志着以前被认为价值有限的材料向前迈出了重要一步; 它已经非常好地完成了绝缘子的开关功能,但尚未考虑所有晶体管所依赖的关键电流产生能力。

“长期以来仅用作半导体器件中无源元件的氧化物也可以成为一种活跃元素的事实是新的和有趣的,”斯科特钱伯斯说,他是能源部(DOE)Pacific的作者之一和科学家。西北国家实验室(PNNL)。

半导体测量不一致

结果出乎意料的是,在PNNL,德克萨斯大学(UT) - 阿灵顿和其他地方完成这项工作的科学家花了几个月的时间试图了解他们可能犯了什么错误,然后通过一系列的测试确认他们的意外的结果是合理的。

对复杂半导体结构的几次测量,称为异质结,证明了科学家的精通:被称为钛酸锶的金属氧化物与硅之间的界限是清晰的。通过原子行的原子行,在UT-Arlington通过称为分子束外延的过程制备的异质结看起来几乎是完美的。

除了,对于一些令人惊讶的光谱线,用X射线光探测样品的结果。光谱显示出近乎无瑕疵的结构的意外特征。

PNNL的团队检查并重新检查了其X射线测量结果。也许有一种成分被污染了。也许有人在氧化膜生长期间未能将氧气阀打开得足够宽。也许仪器操作不正常。或许他们创造的材料不同于他们想要的材料。

但一切都检查出来了。

钱伯斯说:“我们所拥有的数据是矛盾的,看似奇怪。” “通过大多数措施,我们创造了一种接近完美的材料,但另一个重要的衡量标准似乎表明我们的材料是一团糟。”

就在那时,钱伯斯决定认真研究另一种可能性 - 所有测量都是准确的,并且晶体管,计算机芯片和所有类型的其他数字设备的核心结构都没有缺陷。相反,是否会有一些以前未知的东西可以解释神秘的测量?

的确,有。

通过对X射线光谱的研究,钱伯斯意识到结果可以通过电子流穿过硅和钛酸锶之间的连接处产生的意外电场的存在来解释。

任性的氧原子

事实证明,来自钛酸锶的极少量氧原子已进入硅中。该团队无意中掺杂了氧与硅,导致电子从硅转移到钛酸锶,并在硅的最上面的原子平面中产生“空穴”(缺失电子)的电流。

这不是一个容易解决的难题。为此,该团队必须开发一种新方法来了解其测量结果。来自高能电子衍射,X射线晶体学和高分辨率透射电子显微镜的输入都表明材料接近完美,但是X射线光电子能谱(XPS)的测量似乎表明不是这样。

XPS通过照射高能光(在这种情况下是X射线)在材料上然后测量发生的情况来工作,这通过发射的电子的能量和强度来判断。

科学家可以通过用X射线撞击样本来学习很多东西。想想摇滚乐队开始演奏时拥挤的小酒馆会发生什么。一些顾客会拍手,其他人会前往出口,有些人可能会拿起他们的仪器加入。对于科学家用X射线照射样品,分析出来的电子对于理解原子存在的重要性,什么化学物质很重要它们所处的粘合环境,以及材料中的整体能源格局。然而,从原始数据中挖掘出能源格局是一项重大挑战。

钱伯斯开发了一套假设和概念方法来解释XPS结果,即材料中存在大电场。然后他转向PNNL同事Peter Sushko,他是复杂固体材料的专家建模师,编写计算机代码来解决与概念相关的方程并确定电场的特性。

Sushko开发了一种算法,可以为不同的原子层分配数百万个可能的电场值,并模拟每组产生的光谱。一个特定的组合完全符合团队的实验光谱:团队已经证明奇怪的XPS数据与电场的存在和强度一致,这将导致硅中的空穴电流,就像钱伯斯所怀疑的那样。

“我们发现,使用这种新算法正确解释我们的XPS所产生的能量景观恰恰是产生我们观察到的电导率所需要的,”钱伯斯说。

“彼得的计算机代码让我们找到了解决我们所有数据的独特电场值集 - 真正成为大海捞针。这样的实验中的关键数据可以在几个小时内收集,但需要一年时间思考和分析来解释它们,“他补充道。

Chambers和UT-Arlington的通讯作者Joseph H. Ngai使用完全独立的方法证实了这些结果。

Chambers和Ngai不希望这一发现立即彻底改变半导体工业或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的制造。但是这种基础科学在“超越CMOS”世界中打开了一扇新的大门,团队为了解结果而创建的算法为科学家提供了一种探测各种层状结构的新工具,而不仅仅是硅上氧化物的结构。

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