Los científicos han tomado un componente común de los dispositivos digitales y lo han dotado de una capacidad previamente no observada, abriendo la puerta a una nueva generación de dispositivos electrónicos basados ​​en silicio.

Si bien los circuitos digitales de las computadoras y los teléfonos celulares se están volviendo más pequeños y los procesadores van cada vez más rápido, los límites se acercan, y los científicos de todo el mundo están trabajando para ampliar o ir más allá de la tecnología actual, conocido como semiconductor complementario de óxido de metal o tecnología CMOS.

En un artículo de investigación publicado en julio de 2019 en Cartas de revisión física , los científicos explican cómo crearon un óxido metálico, el "MO" en "CMOS", equipado con una función adicional importante. En lugar de ser simplemente un elemento pasivo del interruptor de encendido y apagado en un transistor CMOS, el nuevo óxido de metal activa el flujo de corriente eléctrica por sí solo. El hallazgo podría algún día ayudar a mover la informática a una era a menudo llamada "más allá de CMOS".

El material de óxido crea una corriente en estado puro cercano, silicio "sin dopar", el semiconductor caballo de batalla de la industria electrónica. La conductividad en el silicio tiene lugar en una región muy delgada de solo nueve capas atómicas de espesor. Necesitarías apilar 100, 000 tales capas iguales al ancho de un cabello humano.

Esta capacidad, de inducir corriente en el silicio, marca un gran paso adelante para un material que anteriormente se consideraba de valor limitado; Ha realizado muy bien las funciones de encendido y apagado de un aislador, pero no se ha considerado por la capacidad crucial de creación de corriente de la que dependen todos los transistores.

"El hecho de que un óxido, utilizado durante mucho tiempo solo como elemento pasivo en dispositivos semiconductores, también puede ser un elemento activo es nuevo e intrigante, "dijo Scott Chambers, uno de los autores y científico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía (DOE).

Mediciones de semiconductores en desacuerdo

El resultado es tan inesperado que los científicos que hicieron el trabajo, en PNNL, la Universidad de Texas (UT) -Arlington, y en otros lugares, pasaron meses tratando de comprender qué error podrían haber cometido, antes de confirmar a través de una batería de pruebas que sus inesperados resultados eran sólidos.

Varias medidas de la intrincada estructura semiconductora, conocido como heterounión, demostró el dominio de los científicos:el límite entre el óxido metálico conocido como titanato de estroncio y el silicio era nítido. Fila atómica por fila atómica, la heterounión preparada en UT-Arlington mediante un proceso conocido como epitaxia de haz molecular parecía casi perfecta.

Excepto, es decir, por algunas líneas espectrales sorprendentes, el resultado de sondear la muestra con luz de rayos X. Los espectros mostraron características inesperadas para una estructura casi perfecta.

El equipo de PNNL verificó y volvió a verificar sus mediciones de rayos X. Quizás hubo contaminación de uno de los ingredientes. Quizás alguien no pudo abrir la válvula de oxígeno lo suficiente durante el crecimiento de la película de óxido. Quizás los instrumentos no funcionaban correctamente. O tal vez habían creado materiales diferentes a los que pretendían.

Pero todo se comprobó.

"Los datos que teníamos eran contradictorios y aparentemente extraños, ", dijo Chambers." Según la mayoría de las medidas, habíamos creado un material que era casi perfecto, pero otra medida importante parecía indicar que nuestro material era un desastre ".

Fue entonces cuando Chambers decidió analizar seriamente otra posibilidad:que todas las mediciones fueran precisas y que la estructura en capas central para los transistores, y chips de computadora, y otros dispositivos digitales de todo tipo no tenían fallas. Bastante, ¿Podría haber algo previamente desconocido que explique las misteriosas medidas?

En efecto, había.

Pasando por encima de los espectros de rayos X, Chambers se dio cuenta de que los resultados podrían explicarse por la presencia de campos eléctricos inesperados creados por un flujo de electrones a través de la unión entre el silicio y el titanato de estroncio.

Átomos de oxígeno rebeldes

Resultó que una cantidad muy pequeña de átomos de oxígeno del titanato de estroncio se había abierto camino hacia el silicio. El equipo había dopado involuntariamente silicio con oxígeno, resultando en la transferencia de electrones del silicio al titanato de estroncio, y la creación de una corriente eléctrica de "huecos" (electrones faltantes) en los planos atómicos superiores del silicio.

No fue un acertijo fácil de resolver. Para hacerlo el equipo tuvo que desarrollar una nueva forma de comprender sus medidas. Entrada de difracción de electrones de alta energía, Cristalografía de rayos X, y la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución indicaron que el material era casi perfecto, pero las mediciones de la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) parecían indicar lo contrario.

XPS funciona al hacer brillar luz de alta energía, en este caso rayos X, sobre un material y luego medir lo que sucede, a juzgar por las energías e intensidades de los electrones que se emiten.

Los científicos pueden aprender mucho al golpear una muestra con rayos X. Piense en lo que sucede en una taberna llena de gente cuando una banda de rock comienza a tocar. Algunos clientes aplaudirán, otros se dirigirán a las salidas, y algunos pueden tomar sus instrumentos y unirse. Para los científicos que golpean una muestra con rayos X, analizar los electrones que salen es importante para comprender qué átomos están presentes, en qué entorno de enlace químico se encuentran, y cuál es el panorama energético general dentro de un material. Sin embargo, descubrir el panorama energético a partir de los datos brutos es un gran desafío.

Chambers desarrolló un conjunto de hipótesis y una forma conceptual de interpretar los resultados de XPS en términos de la presencia de grandes campos eléctricos en el material. Luego se dirigió a su colega de PNNL, Peter Sushko, un modelador experto de materiales sólidos complejos, escribir un código de computadora para resolver las ecuaciones asociadas al concepto y determinar las propiedades de los campos eléctricos.

Sushko desarrolló un algoritmo que asigna millones de posibles valores de campo eléctrico a las diferentes capas atómicas y simula los espectros que resultarían para cada conjunto. Un conjunto particular se ajustaba exactamente a los espectros experimentales del equipo:el equipo había demostrado que los datos extraños de XPS eran consistentes con la presencia y la fuerza de los campos eléctricos que darían lugar a una corriente de agujero en el silicio. tal como sospechaba Chambers.

"Descubrimos que los paisajes energéticos que surgieron al interpretar correctamente nuestro XPS utilizando este nuevo algoritmo eran precisamente lo que tendría que estar presente para generar la conductividad que estábamos observando, "dijo Chambers.

"El código de computadora de Peter nos permitió encontrar ese conjunto único de valores de campo eléctrico que explican todos nuestros datos, realmente una aguja en un pajar. Los datos cruciales en un experimento como este se pueden recopilar en unas pocas horas, pero tomó un año de pensamiento y análisis para interpretarlos, "añadió.

Los resultados fueron corroborados por Chambers y el autor correspondiente Joseph H. Ngai de UT — Arlington utilizando métodos completamente independientes.

Sin revolución MOSFET, todavía

Chambers y Ngai no esperan que este hallazgo revolucione inmediatamente la industria de los semiconductores o la fabricación de MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico). Pero esta ciencia fundamental abre una nueva puerta en el mundo "más allá de CMOS", y el algoritmo que el equipo creó para comprender los resultados brinda a los científicos una nueva herramienta para sondear estructuras en capas de todo tipo, no solo los de un óxido de silicio.