Original publish date:Jan 08, 2004
編輯 Agape 報導
德國研究人員以電腦首次成功的模擬出鈦酸鍶(SrTiO3)與氧化矽的組合效應，足以解釋氧化層的的形成過程，以及電性的控制。原始文獻見於”The interface between silicon and a high-k oxide,”(Nature 427, 53 (2004))。
Sciscape在最近﹐報導了一連串有關於電晶體的科學新知﹐其中包含了目前世界上最快的BJT電晶體﹑Intel新一代的CPU﹑以及世界上第一個發光電晶體。這些新聞的出現﹐正說明了科學家們仍然在想盡各種方法﹐來將電晶體-這個現代生活幾乎不可或缺的發明-在其速度﹑功能等方面﹐作到最好的利用。隨著電晶體尺寸的縮小﹐其中用來絕緣金屬閘的氧化物(目前幾乎全是二氧化矽﹐SiO2)也必須按元件的比例縮小﹐最小可到數十甚至今數奈米。但是﹐在二氧化矽的厚度接近奈米範圍時﹐就必須考慮電子因量子效應而產生的穿隧(tunneling) 。在這個情況下﹐導電通路中的電子將有可能穿過二氧化矽﹐如此一來就失去了絕緣的效果﹐元件也會產生漏電的情形。
有鑒於此﹐科學家們開始考慮是否一定要堅持繼續使用二氧化矽﹐或者是尋找其它的氧化物來代替。由於二氧化矽是製造電晶體的主要材料-矽-的氧化物﹐在晶體結構﹑絕緣特性﹑生產製程等各方面﹐都是最佳的選擇。要找到能夠代替它的材料﹐還十分不容易。即使有人突發奇想地提議使用某種材料﹐也因為無法確定其與矽的表明接觸時﹐是否在化學於物理特性上足夠穩定而不了了之。直到最近﹐分別來自德國與奧地利的科學家們﹐利用電腦模擬的方式﹐計算了鈦酸鍶作為電晶體氧化物的特性﹐才發現或許這就是長期以來大家所尋找的替代材料。
他們利用精密先進的晶體結構計算﹐模擬了鈦酸鍶與(001)矽結合時﹐在兩者的介面的晶體結構與化學﹑物理特性。結果顯示﹐在某一種的情況之下﹐鈦酸鍶與矽具有最佳的匹配﹐不僅矽表面的dangling bonds能被鍶接收﹐其表面的凹凸起伏也正好由鈦酸鍶來填滿。除此之外﹐為了確定 鈦酸鍶的絕緣性﹐他們也計算了它對電子的能障(energy barrier) ﹐得到約1.2-1.3eV的結果。這個數字﹐也滿足避免電子穿過氧化物的最小能障1eV的要求。
這項研究的結果﹐預期將為電晶體的研發帶來一個新的方向﹐也就是借助了電腦模擬的計算得知﹐除了將尺寸縮小之外﹐還可以在材料上作變化。至於在實際製造上是否能夠如所模擬的一樣令人滿意﹐就有待相關的實驗來驗證了。
參考來源：
- ScienceDaily: End of The Line For Silicon Dioxide?
- Nature: The interface between silicon and a high-k oxide
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