Em nossa sociedade centrada na comunicação, a lei de Moore estabelece uma alta expectativa para o aumento da taxa de densidade de empacotamento dos transistores baseados em Si. Isso impulsiona a busca por camadas de porta de alta constante dielétrica (alto k) com espessura escalonável. Os atuais candidatos a materiais, desde óxidos binários simples até óxidos polares complexos, não conseguiram resolver o trilema "polarizabilidade-escalabilidade-robustez do isolamento", contribuindo assim para a soma total de questões que ameaçam a continuação da lei de Moore.



Uma equipe de cientistas de materiais liderada por Jun Ouyang da Universidade de Tecnologia Qilu em Jinan, China, propôs recentemente uma solução para este trilema nas camadas de porta, que é um filme ultrafino de um óxido ferroelétrico em seu estado superparaelétrico (SPE).

A equipe publicou seu artigo de pesquisa no Journal of Advanced Ceramics em 30 de abril de 2024.

"No SPE, sua ordem polar torna-se local e é dispersa em uma matriz amorfa com tamanho cristalino de até alguns nanômetros, levando a uma excelente escalabilidade dimensional e uma boa estabilidade de campo do valor k", disse Jun Ouyang, sênior autor do artigo de pesquisa, professor da Escola de Química e Engenharia Química e líder da equipe de Materiais Energéticos Avançados e Química da Universidade de Tecnologia de Qilu.

"Como exemplo, um alto valor estável de k (37±3) é mostrado em filmes SPE ultrafinos de (Ba_0,95 ,Sr_0,05 )(Zr_0,2 ,Ti_0,8 )O₃ (BSZT) depositado por pulverização catódica em LaNiO₃ -Pt/Ti/SiO tamponado₂ /(100)Si até uma espessura de 4 nm à temperatura ambiente, levando a uma pequena espessura de óxido equivalente (EOT) de ~0,46 nm."

A equipe de pesquisa analisou o diâmetro médio dos aglomerados polares nanométricos (NPCs), o tamanho do filme SPE ordenado de curto alcance, em função da espessura do filme. Eles descobriram que o tamanho NPC do filme, que está positivamente correlacionado com o valor k do filme, é ditado pela temperatura de deposição por pulverização catódica, e não pela espessura do filme.

"Essas observações sugerem que o fator dominante para um k escalável em um dielétrico SPE é o tamanho do NPC, e não a espessura do filme normalmente investigada. É um tamanho de recurso tão pequeno que levou a uma boa escalabilidade de espessura de k em um SPE ultrafino filme, em oposição a um k não escalável em sua contraparte ferroelétrica", disse Jun Ouyang.

"Além disso, através de estudos da dependência da temperatura de k (curvas k – T), estimamos o tamanho crítico do NPC para a transição superparaelétrica para paraelétrica (SPE-PE) no filme BSZT, ou seja, seu limite teórico de escalabilidade como um camada de porta. Este limite está entre 1,3 e 1,8 nm, o que é consistente com a previsão termodinâmica para o material BSZT."

A equipe de pesquisa descreve outras propriedades únicas dos filmes superparaelétricos BSZT dotados de sua microestrutura acima mencionada de "aglomerados polares nanométricos bem dispersos (NPCs)".

Essas propriedades incluem uma alta resistência à ruptura (~10,5 MV·cm ⁻¹ para o filme de 4 nm), o que garante uma baixa corrente de fuga para o funcionamento da porta semicondutora de óxido metálico complementar (CMOS). Além disso, uma alta resistência à fadiga elétrica, isto é, estabilidade de carga-descarga, foi apresentada pelos filmes SPE. Estes resultados revelam um grande potencial de materiais superparaelétricos como dielétricos de porta na microeletrônica de próxima geração.

A equipe de pesquisa espera que este trabalho estimule o desenvolvimento de novas camadas de portas superparaelétricas para diminuir ainda mais o valor EOT e ajudar a continuar a lei de Moore.

Mais informações: Kun Wang et al, Empurrando o limite de escalabilidade de alto k com uma camada de porta superparaelétrica, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220876
Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua