اتفاقات خوب در ابعاد کوچکتر: لایههای نازک ZrO۲ روی سیلیکون فروالکتریکی را تا ۵ آنگستروم نشان میدهند.
| تاریخ ارسال: 1403/11/21 |
اتفاقات خوب در ابعاد کوچکتر: لایههای نازک ZrO۲ روی سیلیکون فروالکتریکی را تا ۵ آنگستروم نشان میدهند.
نمایش یک ماده فروالکتریک دو بعدی. منبع: سورج چیما، دانشگاه برکلی
نمایش یک ماده فروالکتریک دو بعدی. منبع: سورج چیما، دانشگاه برکلی
ضمن تبدیل تولید نیمههادیها به یک کانون توجه برای کشورهای سراسر جهان، مشخص شد قانون مور، یک اصل سنتی برای تولید تراشهها، دیگر صادق نیست.
قانون مور، در واقع پیشبینیای است که توسط گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال ۱۹۶۵ انجام شد. بر اساس مشاهدات، او برونیابی کرد که محاسبات به طور چشمگیری قدرت را افزایش میدهد در حالی که هزینه نسبی را با سرعتی تصاعدی کاهش میدهد. این پیشبینی از طریق دوبرابر کردن تعداد ترانزیستورها (دستگاه نیمهرسانایی که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنالهای الکتریکی و قدرت استفاده میشود) روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یکبار محقق میشود. با این حال، در سالهای اخیر، کوچک سازی ترانزیستورها به عنوان یک چالش بزرگ در مقابل رویهی سنتی قد علمکردهاست.
پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز نیمههادی (MOSFET) است. در این دسته از ترانزیستورها، جریان الکتریکی بین دو پایانه به نام «منبع» و «تخلیه» جریان مییابد و از طریق کانالهای نوع n یا p تخلیه میشود. بین این دو ترمینال گیت قرار دارد، الکترودی که عرض کانال را از طریق ولتاژ آن کنترل میکند.
قانون مور، در واقع پیشبینیای است که توسط گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال ۱۹۶۵ انجام شد. بر اساس مشاهدات، او برونیابی کرد که محاسبات به طور چشمگیری قدرت را افزایش میدهد در حالی که هزینه نسبی را با سرعتی تصاعدی کاهش میدهد. این پیشبینی از طریق دوبرابر کردن تعداد ترانزیستورها (دستگاه نیمهرسانایی که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنالهای الکتریکی و قدرت استفاده میشود) روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یکبار محقق میشود. با این حال، در سالهای اخیر، کوچک سازی ترانزیستورها به عنوان یک چالش بزرگ در مقابل رویهی سنتی قد علمکردهاست.
پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز نیمههادی (MOSFET) است. در این دسته از ترانزیستورها، جریان الکتریکی بین دو پایانه به نام «منبع» و «تخلیه» جریان مییابد و از طریق کانالهای نوع n یا p تخلیه میشود. بین این دو ترمینال گیت قرار دارد، الکترودی که عرض کانال را از طریق ولتاژ آن کنترل میکند.
نمونهای از MOSFET کانال n. منبع: کانال EzEd، یوتیوب
گیت شامل یک لایهی فلزی است که توسط یک لایهی اکسید نازک از کانال جدا شدهاست، که معمولاً از یک اکسید فلزی با ثابت دیالکتریک بالا مانند دیاکسید هافنیوم بر روی دیاکسید سیلیکون تشکیل شدهاست.
هنگامی که ضخامت اکسید گیت به یک اندازهی مشخص کاهش مییابد، تونل مکانیکی کوانتومی الکترونها از طریق لایه شروع به رخ دادن میکند، که به طور قابل توجهی در اتلاف توان کلی نقش دارد. بهعلاوه، یک حد پایینتر اساسی برای میزان ولتاژ گیت برای شروع جریان جریان وجود دارد، که محدودیتی را برای حداقل ولتاژ مورد نیاز برای کار تعیین میکند.
به دلیل محدودیتهای کوچکسازی، محققان به تکنیکهای دیگری مانند نوآوریهای مواد (مانند مهندسی کرنش) و ایدههای جدید (مانند ترانزیستورهای اثر میدان f)، برای بهبود کارایی روی آوردهاند.
ظرفیت منفی یکی از مفاهیمی است که اخیراً مورد توجه قرار گرفتهاست. ظرفیت یک سیستم عبارت است از توانایی ذخیرهی بار الکتریکی، که با توجه به میزان تغییر شارژ سیستم هنگام اتصال به منبع ولتاژ تعیین میشود.
آنچه در MOSFETها اتفاق میافتد، ظرفیتهای سرگردان یا پارازیتی و یا مناطقی است که در آنها ظرفیت خازنی به دلیل نزدیکی اجزای ترانزیستور به یکدیگر اجتناب ناپذیر است. به طور معمول، این ظرفیتها همه کمیتهایی مثبت هستند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده در یک جهت رخ میدهد.
با این حال، در سالهای اخیر، محققان کشف کردند که جایگزینی اکسید فلزی با ثابت دیالکتریک بالا در گیت MOSFET با یک مادهی فروالکتریک ممکن است این رفتار را تغییر دهد.
فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد برای داشتن قطبش الکتریکی خود به خودی است که از طریق اعمال میدانهای الکتریکی خارجی برگشتپذیر است. این ویژگی به مواد فروالکتریک اجازه میدهد تا رفتار خازنی منفی از خود نشان دهند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده مخالف یکدیگر هستند.
در عمل، ظرفیت منفی به فروالکتریک اجازه میدهد تا به عنوان تقویت کنندهی ولتاژ عمل کند، به طوری که «ولتاژ دیده شده» توسط کانال بزرگتر از «ولتاژ گیت اعمالشده» باشد. این رفتار به این معنی است که ولتاژ کمتری برای تولید جریان بیشتر مورد نیاز است. بنابراین راهی برای فراتر رفتن از محدودیتهای موجود در یک لایهی اکسید سنتی فراهم میشود.
در حال حاضر، لایههای نازک مبتنی بر دیاکسید هافنیوم (HfO۲) و زیرکونیوم دیاکسید (ZrO۲) با ساختار فلوریت، کانون توجه در تحقیقات خازن منفی هستند، زیرا این مواد از قبل با فرآیندها و ماشینآلات تولید الکترونیک معاصر سازگار هستند.
در مطالعهای که اخیرا انجام شده، محققان دانشگاهی و دولتی با لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) با ساختار فلوریت به موفقیت جدیدی دست یافتند که رفتار فروالکتریک را در مقیاس اتمی نشان میدهد.
در حال حاضر، فروالکتریسیته تا ضخامت زیر ۲ نانومتر در فیلمهای Zr: HfO۲ همپایه و پلی کریستالی مشاهده شدهاست. اما محققان امیدوارند که به این رفتار در مقیاسهای کوچکتر دست یابند زیرا میتواند بهرهوری انرژی را بهبود بخشد.
در این مطالعه، محققان به رهبری دانشگاه برکلی کالیفرنیا، به همراه همکاران در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی آرگون، تلاش کردند تا با کاهش ابعاد، با تبدیل فاز تتراگونال آنتی فروالکتریک متعارف به فاز اورترومبیک فروالکتریک، به خاصیت فروالکتریسیته در ابعاد اتمی دستیابند.
همانطور که آنها در مقاله توضیح میدهند، «در اکسیدهای مبتنی بر فلوریت، کاهش ابعاد منجر به پایداری فاز فروالکتریک اورترومبیکی ناشی از فشار میشود (که به طور معمول از طریق فشار هیدرواستاتیک، فشار شیمیایی یا کرنش اپیتاکسیال به دست می آید)».
آنها از رسوب لایهی اتمی برای رشد لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) بر روی سیلیکون بافر SiO۲ استفاده کردند. برای مطالعهی وابستگی به ضخامت در تبدیل آنتی فروالکتریک به فروالکتریک، آنها اثرات ساختاری فازهای تتراگونال و اورترومبیک را با استفاده از تکنیک پراشsynchrotron in-plane grazing incidence بررسی کردند.
نتایج طیفسنجی، بازتاب مورد انتظار (۱۰۱) فاز تتراگونال را در فیلمهای ضخیمتر (ZrO۲) (۳-۱۰ نانومتر) و ظهور بازتابهای (۱۱۱) فاز اورترومبیک برای فیلمهای بسیار نازک (۲ نانومتر) تا ضخامت ۵ آنگستروم را تأیید کردند. تصویربرداری اتمی اکسیژن موضعی بین پلیمورفهای ساختاری فاز قطبی اورترومبیک و فاز غیرقطبی تتراگونال تمایز قائلشد.
برای توصیف رفتار الکتریکی لایههای (ZrO۲) ، محققان خازنهای فلز-عایق-فلزی (MIM) با ضخامتهای مختلف (ZrO۲) را ساختند. حلقههای ولتاژ پلاریزاسیون MIM برای (ZrO۲) با ضخامت ۵ و ۱۰ نانومتر، پسماند دوگانه ضد فروالکتریکمانندی را نشان دادند.
پروبهای ولتاژ قطبش معمولی را نمیتوان در رژیم فوق نازک اعمال کرد. بنابراین، آنها الکترودهای شانهای (interdigitated electrodes) را برای تسهیل سوئیچینگ پلاریزاسیون درون صفحه ساختند، که به آنها اجازه داد تا انتقال فاز غیرقطبی به قطبی ناشی از میدان را در زیر ضخامت بحرانی ۲ نانومتری تایید کنند. به علاوه، سوئیچینگ پلاریزاسیون برای فیلم ۵ آنگسترومی (ZrO۲) فراتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد (۲۵۷ درجه فارنهایت) حفظ شد، که این ماده را برای کاربردهای الکترونیکی امیدوارکننده میکند.
سورج چیما، اولین نویسنده و محقق فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در بیانیهی مطبوعاتی آزمایشگاه ملی آرگون میگوید: «این کار گامی کلیدی در جهت ادغام فروالکتریک در میکروالکترونیکهای بسیار مقیاسپذیر برداشته است».
مقاله مرجع:
هنگامی که ضخامت اکسید گیت به یک اندازهی مشخص کاهش مییابد، تونل مکانیکی کوانتومی الکترونها از طریق لایه شروع به رخ دادن میکند، که به طور قابل توجهی در اتلاف توان کلی نقش دارد. بهعلاوه، یک حد پایینتر اساسی برای میزان ولتاژ گیت برای شروع جریان جریان وجود دارد، که محدودیتی را برای حداقل ولتاژ مورد نیاز برای کار تعیین میکند.
به دلیل محدودیتهای کوچکسازی، محققان به تکنیکهای دیگری مانند نوآوریهای مواد (مانند مهندسی کرنش) و ایدههای جدید (مانند ترانزیستورهای اثر میدان f)، برای بهبود کارایی روی آوردهاند.
ظرفیت منفی یکی از مفاهیمی است که اخیراً مورد توجه قرار گرفتهاست. ظرفیت یک سیستم عبارت است از توانایی ذخیرهی بار الکتریکی، که با توجه به میزان تغییر شارژ سیستم هنگام اتصال به منبع ولتاژ تعیین میشود.
آنچه در MOSFETها اتفاق میافتد، ظرفیتهای سرگردان یا پارازیتی و یا مناطقی است که در آنها ظرفیت خازنی به دلیل نزدیکی اجزای ترانزیستور به یکدیگر اجتناب ناپذیر است. به طور معمول، این ظرفیتها همه کمیتهایی مثبت هستند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده در یک جهت رخ میدهد.
با این حال، در سالهای اخیر، محققان کشف کردند که جایگزینی اکسید فلزی با ثابت دیالکتریک بالا در گیت MOSFET با یک مادهی فروالکتریک ممکن است این رفتار را تغییر دهد.
فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد برای داشتن قطبش الکتریکی خود به خودی است که از طریق اعمال میدانهای الکتریکی خارجی برگشتپذیر است. این ویژگی به مواد فروالکتریک اجازه میدهد تا رفتار خازنی منفی از خود نشان دهند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده مخالف یکدیگر هستند.
در عمل، ظرفیت منفی به فروالکتریک اجازه میدهد تا به عنوان تقویت کنندهی ولتاژ عمل کند، به طوری که «ولتاژ دیده شده» توسط کانال بزرگتر از «ولتاژ گیت اعمالشده» باشد. این رفتار به این معنی است که ولتاژ کمتری برای تولید جریان بیشتر مورد نیاز است. بنابراین راهی برای فراتر رفتن از محدودیتهای موجود در یک لایهی اکسید سنتی فراهم میشود.
در حال حاضر، لایههای نازک مبتنی بر دیاکسید هافنیوم (HfO۲) و زیرکونیوم دیاکسید (ZrO۲) با ساختار فلوریت، کانون توجه در تحقیقات خازن منفی هستند، زیرا این مواد از قبل با فرآیندها و ماشینآلات تولید الکترونیک معاصر سازگار هستند.
در مطالعهای که اخیرا انجام شده، محققان دانشگاهی و دولتی با لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) با ساختار فلوریت به موفقیت جدیدی دست یافتند که رفتار فروالکتریک را در مقیاس اتمی نشان میدهد.
در حال حاضر، فروالکتریسیته تا ضخامت زیر ۲ نانومتر در فیلمهای Zr: HfO۲ همپایه و پلی کریستالی مشاهده شدهاست. اما محققان امیدوارند که به این رفتار در مقیاسهای کوچکتر دست یابند زیرا میتواند بهرهوری انرژی را بهبود بخشد.
در این مطالعه، محققان به رهبری دانشگاه برکلی کالیفرنیا، به همراه همکاران در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی آرگون، تلاش کردند تا با کاهش ابعاد، با تبدیل فاز تتراگونال آنتی فروالکتریک متعارف به فاز اورترومبیک فروالکتریک، به خاصیت فروالکتریسیته در ابعاد اتمی دستیابند.
همانطور که آنها در مقاله توضیح میدهند، «در اکسیدهای مبتنی بر فلوریت، کاهش ابعاد منجر به پایداری فاز فروالکتریک اورترومبیکی ناشی از فشار میشود (که به طور معمول از طریق فشار هیدرواستاتیک، فشار شیمیایی یا کرنش اپیتاکسیال به دست می آید)».
آنها از رسوب لایهی اتمی برای رشد لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) بر روی سیلیکون بافر SiO۲ استفاده کردند. برای مطالعهی وابستگی به ضخامت در تبدیل آنتی فروالکتریک به فروالکتریک، آنها اثرات ساختاری فازهای تتراگونال و اورترومبیک را با استفاده از تکنیک پراشsynchrotron in-plane grazing incidence بررسی کردند.
نتایج طیفسنجی، بازتاب مورد انتظار (۱۰۱) فاز تتراگونال را در فیلمهای ضخیمتر (ZrO۲) (۳-۱۰ نانومتر) و ظهور بازتابهای (۱۱۱) فاز اورترومبیک برای فیلمهای بسیار نازک (۲ نانومتر) تا ضخامت ۵ آنگستروم را تأیید کردند. تصویربرداری اتمی اکسیژن موضعی بین پلیمورفهای ساختاری فاز قطبی اورترومبیک و فاز غیرقطبی تتراگونال تمایز قائلشد.
برای توصیف رفتار الکتریکی لایههای (ZrO۲) ، محققان خازنهای فلز-عایق-فلزی (MIM) با ضخامتهای مختلف (ZrO۲) را ساختند. حلقههای ولتاژ پلاریزاسیون MIM برای (ZrO۲) با ضخامت ۵ و ۱۰ نانومتر، پسماند دوگانه ضد فروالکتریکمانندی را نشان دادند.
پروبهای ولتاژ قطبش معمولی را نمیتوان در رژیم فوق نازک اعمال کرد. بنابراین، آنها الکترودهای شانهای (interdigitated electrodes) را برای تسهیل سوئیچینگ پلاریزاسیون درون صفحه ساختند، که به آنها اجازه داد تا انتقال فاز غیرقطبی به قطبی ناشی از میدان را در زیر ضخامت بحرانی ۲ نانومتری تایید کنند. به علاوه، سوئیچینگ پلاریزاسیون برای فیلم ۵ آنگسترومی (ZrO۲) فراتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد (۲۵۷ درجه فارنهایت) حفظ شد، که این ماده را برای کاربردهای الکترونیکی امیدوارکننده میکند.
سورج چیما، اولین نویسنده و محقق فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در بیانیهی مطبوعاتی آزمایشگاه ملی آرگون میگوید: «این کار گامی کلیدی در جهت ادغام فروالکتریک در میکروالکترونیکهای بسیار مقیاسپذیر برداشته است».
مقاله مرجع:
“Emergent ferroelectricity in subnanometer binary oxide films on silicon”
(DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abm۸۶۴۲).
(DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abm۸۶۴۲).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/materials-innovations/good-things-come-in-even-smaller-packages-zro۲-thin-films-on-silicon-show-ferroelectricity-down-to-۵-angstroms
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف