p (Phys.org) —A base de muitos, muitos dispositivos eletrônicos modernos - incluindo computadores, telefones inteligentes, e televisores - é o transistor de silício. Contudo, o encolhimento dos eletrônicos de consumo está levando os pesquisadores a investigar materiais que podem produzir transistores mais finos. No NSLS, pesquisadores usaram raios-x para sondar o comportamento eletrônico de uma estrutura de transistor à base de germânio, produzindo informações importantes que guiarão estudos futuros sobre como fazer transistores menores. p Um transistor é essencialmente um interruptor que regula o fluxo de corrente. Quando uma certa tensão limite é aplicada a ele, fluxos atuais; abaixo disso, a corrente não flui. Um transistor muito comum consiste em uma camada muito fina (escala nanométrica) de um óxido (normalmente óxido de silício, SiO2) entre um substrato de silício e um eletrodo de metal.

p O germânio (Ge) é preferido para substituir o silício em parte porque os portadores de carga se movem muito mais rápido dentro dele do que o silício (Si). Mas o maior problema é a camada de óxido:quando o SiO2 se aproxima da espessura de um nanômetro, elétrons começam a "vazar" através dele (resultado do estranho fenômeno físico do tunelamento da mecânica quântica), levando a um consumo excessivo de energia e baixa confiabilidade. Os transistores que usam SiO2 não conseguem acompanhar a demanda do consumidor por modelos mais elegantes, dispositivos mais rápidos.

p Recentemente, empresas como a Intel têm feito seus transistores usando óxido de háfnio (HfO2), que pode ser mais fino e ainda ter um bom desempenho. Ele tem uma "constante dielétrica" ​​mais alta (abreviada como K), que é o valor que determina a robustez de qualquer óxido contra vazamento:quanto maior o valor de K, quanto menor o vazamento. Contudo, até mesmo o HfO2 vaza quando é muito fino.

p Os pesquisadores estão investigando óxidos com valores de K mais elevados, que, quando combinado com germânio, poderia render um transistor mais adequado para a eletrônica de amanhã. Mas o candidato mais promissor, óxido de titânio (TiO2), também vazou muita corrente quando colocado em estruturas de teste, ou "heterojunções, "independentemente de as estruturas conterem Si ou Ge.

p Esse vazamento foi o resultado de um "deslocamento de banda" muito pequeno. Isso significa que as bandas de condução de TiO2 não foram adequadamente separadas das bandas de Si e Ge, permitindo que os elétrons vazem do Si ou Ge para o TiO2. Um grande deslocamento de banda é essencial quando as camadas são tão finas, ajudando a evitar que os elétrons se movam entre eles. Um grupo de pesquisa (liderado por Christophe Detavernier na Universidade de Ghent, na Bélgica) encontrou uma boa solução:adicionar uma fina "camada intermediária" às suas heterojunções antes de depositar a camada de TiO2. O interlayer tem um deslocamento de banda mais razoável. O estudo NSLS usou esse desenvolvimento como um ponto de partida.

p "Por aqui, você obtém o melhor de ambos:o bom deslocamento de banda do interlayer e a alta constante dielétrica do óxido de titânio, "disse o cientista do NSLS Abdul Rumaiz, o principal autor do estudo. "Contudo, com o dimensionamento de dispositivos para tamanhos menores, a espessura da camada intermediária deve ser inferior a um nanômetro. Portanto, é muito importante entender os deslocamentos de banda nessas dimensões reduzidas. "

p Rumaiz e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), Universidade de Ghent, Universidade Quaid-i-Azam (Paquistão), e a Universidade de Delaware estudou como a espessura da camada intermediária afetou os deslocamentos de banda. Usando raios-x na linha de luz X24A, que é executado pelo NIST, eles investigaram estruturas de transistores à base de germânio contendo TiO2 e uma camada intermediária de óxido de háfnio (HfO2). Este trabalho e estudos futuros serão importantes para determinar o quão finas as camadas podem ser, embora ainda produzindo um transistor de alto desempenho.

p A equipe criou seis amostras com diferentes espessuras de interlayer, de 0,4 nanômetros (nm) a 3 nm, e uma espessura fixa de TiO2 de 2 nm. Eles estudaram a estrutura com espectroscopia de fotoelétrons de raios-X rígidos, ou HAXPES, uma técnica que mede os elétrons que um material emite quando exposto a um feixe de raios X de alta energia (duros). Essas medições podem informar aos cientistas sobre as propriedades eletrônicas em massa de um material e também revelar informações sobre as interfaces entre os materiais.

p Eles começaram com um wafer de germânio, que formou uma camada muito fina de "óxido nativo" após a exposição ao oxigênio. Além do óxido nativo, a equipe adicionou o HfO2 e depois o óxido de titânio (TiO2) usando uma técnica chamada deposição de camada atômica.

p A análise HAXPES mostrou que conforme a espessura do interlayer aumentou, os deslocamentos de banda também aumentaram. Ele revelou vários outros detalhes eletrônicos e estruturais, também. Por exemplo, o óxido nativo de germânio mudou para um estado de oxidação superior, o que significa que ele perdeu elétrons e também aumentou de espessura. Não houve evidência de que a camada de TiO2 se misturou com a camada de HfO2, mas havia evidências de que a camada de HfO2 se misturou com a camada de óxido de germânio abaixo dela, formando ligações Hf-Ge. Os resultados indicam que os pesquisadores precisam ser cautelosos ao fazer suposições sobre o deslocamento de banda.

p Esta pesquisa foi publicada em 27 de novembro, 2012, edição online de Cartas de Física Aplicada .