Os cientistas pegaram um componente comum dos dispositivos digitais e o dotaram de uma capacidade nunca antes observada, abrindo as portas para uma nova geração de dispositivos eletrônicos baseados em silício.

Enquanto os circuitos digitais em computadores e telefones celulares estão se tornando menores e os processadores estão cada vez mais rápidos, limites estão se aproximando, e cientistas de todo o mundo estão trabalhando para estender ou ir além da tecnologia de hoje, conhecido como semicondutor de óxido de metal complementar ou tecnologia CMOS.

Em um artigo de pesquisa publicado em julho de 2019 em Cartas de revisão física , os cientistas explicam como criaram um óxido de metal - o "MO" em "CMOS" - equipado com uma função adicional importante. Em vez de ser simplesmente um elemento passivo da chave liga-desliga em um transistor CMOS, o novo óxido de metal ativa o fluxo de corrente elétrica sozinho. A descoberta pode um dia ajudar a mover a computação para uma era frequentemente chamada de "além do CMOS".

O material de óxido cria corrente em pureza próxima, silício "não dopado", o semicondutor burro de carga da indústria eletrônica. A condutividade no silício ocorre em uma região muito fina com apenas nove camadas atômicas de espessura. Você precisaria empilhar 100, 000 dessas camadas iguais à largura de um cabelo humano.

Essa capacidade - de induzir corrente no silício - marca um grande passo à frente para um material que antes era considerado de valor limitado; ele desempenhou muito bem as funções liga-desliga de um isolador, mas não foi considerado para a crucial capacidade de criação de corrente da qual dependem todos os transistores.

"O fato de que um óxido, muito usado apenas como um elemento passivo em dispositivos semicondutores, também pode ser um elemento ativo é novo e intrigante, "disse Scott Chambers, um dos autores e um cientista do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do Departamento de Energia (DOE).

Medições de semicondutores em desacordo

O resultado é tão inesperado que os cientistas que fizeram o trabalho, no PNNL, a Universidade do Texas (UT) -Arlington, e em outro lugar, passou meses tentando entender que erro eles podem ter cometido, antes de confirmar por meio de uma bateria de testes que seus resultados inesperados eram sólidos.

Várias medições da intrincada estrutura semicondutora, conhecido como heterojunção, demonstrou o domínio dos cientistas:a fronteira entre o óxido de metal conhecido como titanato de estrôncio e o silício era nítida. Linha atômica por linha atômica, a heterojunção preparada em UT-Arlington por um processo conhecido como epitaxia de feixe molecular parecia quase perfeita.

Exceto, isso é, para algumas linhas espectrais surpreendentes, o resultado de sondar a amostra com luz de raios-X. Os espectros mostraram características inesperadas para uma estrutura quase perfeita.

A equipe do PNNL verificou e verificou novamente suas medições de raios-X. Talvez tenha havido contaminação de um dos ingredientes. Talvez alguém não tenha conseguido abrir a válvula de oxigênio larga o suficiente durante o crescimento do filme de óxido. Talvez os instrumentos não estivessem funcionando corretamente. Ou talvez eles tenham criado materiais diferentes do que pretendiam.

Mas tudo conferiu.

"Os dados que tínhamos eram contraditórios e aparentemente bizarros, "disse Chambers." Pela maioria das medidas, criamos um material que era quase perfeito, mas outra medição importante parecia indicar que nosso material era uma bagunça. "

Foi então que Chambers decidiu examinar seriamente outra possibilidade - que todas as medições fossem precisas e que a estrutura em camadas central para os transistores, e chips de computador, e outros dispositivos digitais de todos os tipos não tinham falhas. Em vez, poderia haver algo anteriormente desconhecido que explicaria as medições misteriosas?

De fato, houve.

Noodling sobre os espectros de raios-X, Chambers percebeu que os resultados poderiam ser explicados pela presença de campos elétricos inesperados criados por um fluxo de elétrons através da junção entre o silício e o titanato de estrôncio.

Átomos de oxigênio rebeldes

Descobriu-se que um número muito pequeno de átomos de oxigênio do titanato de estrôncio havia entrado no silício. A equipe dopou involuntariamente silício com oxigênio, resultando na transferência de elétrons do silício para o titanato de estrôncio, e a criação de uma corrente elétrica de "buracos" (elétrons ausentes) nos planos atômicos superiores do silício.

Não foi um quebra-cabeça fácil de resolver. Para fazer isso, a equipe teve que desenvolver uma nova maneira de entender suas medições. Entrada de difração de elétrons de alta energia, Cristalografia de raio-x, e a microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução indicava que o material era quase perfeito, mas as medições da espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) pareciam indicar o contrário.

XPS funciona brilhando luz de alta energia - neste caso, raios-x - em um material e, em seguida, medindo o que acontece, conforme julgado pelas energias e intensidades dos elétrons que são emitidos.

Os cientistas podem aprender muito obtendo uma amostra com raios-x. Pense no que acontece em uma taverna lotada quando uma banda de rock começa a tocar. Alguns clientes aplaudem, outros irão para as saídas, e alguns podem pegar seus instrumentos e juntar-se a eles. Para cientistas que analisam uma amostra com raios-x, analisar os elétrons que saem é importante para entender quais átomos estão presentes, em que ambiente de ligação química eles estão, e qual é a paisagem energética geral dentro de um material. Contudo, descobrir o panorama da energia a partir dos dados brutos é um grande desafio.

Chambers desenvolveu um conjunto de hipóteses e uma forma conceitual de interpretar os resultados do XPS em termos da presença de grandes campos elétricos no material. Ele então se dirigiu ao colega do PNNL Peter Sushko, um modelador especialista de materiais sólidos complexos, escrever um código de computador para resolver as equações associadas ao conceito e determinar as propriedades dos campos elétricos.

Sushko desenvolveu um algoritmo que atribui milhões de possíveis valores de campo elétrico às diferentes camadas atômicas e simula os espectros que resultariam para cada conjunto. Um conjunto específico se ajustava exatamente aos espectros experimentais da equipe:a equipe havia mostrado que os estranhos dados XPS eram consistentes com a presença e intensidades de campos elétricos que dariam origem a uma corrente de buraco no silício, exatamente como Chambers suspeitou.

"Descobrimos que as paisagens de energia que vieram da interpretação correta do nosso XPS usando este novo algoritmo eram precisamente o que precisaria estar presente para gerar a condutividade que estávamos observando, "disse Chambers.

"O código de computador de Peter nos permitiu encontrar aquele conjunto único de valores de campo elétrico que explica todos os nossos dados - realmente uma agulha em um palheiro. Os dados cruciais em um experimento como este podem ser coletados em poucas horas, mas levou um ano de reflexão e análise para interpretá-los, " ele adicionou.

Os resultados foram corroborados por Chambers e autor correspondente Joseph H. Ngai de UT — Arlington usando métodos completamente independentes.

Sem revolução MOSFET - ainda

Chambers e Ngai não esperam que esta descoberta revolucione imediatamente a indústria de semicondutores ou a fabricação de MOSFETs (transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico). Mas esta ciência fundamental abre uma nova porta no mundo "além do CMOS", e o algoritmo que a equipe criou para entender os resultados oferece aos cientistas uma nova ferramenta para sondar estruturas em camadas de todos os tipos, não apenas aqueles para um óxido de silício.