Δομές ημιαγωγών-διηλεκτρικών για προηγμένες/μετά CMOS ηλεκτρονικές διατάξεις - Γκόλιας, Ευάγγελος Α. (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, 2013)
Το πυρίτιο αποτελεί μέχρι σήμερα το υλικό που βασίζονται οι σύγχρονες ηλεκτρονικές διατάξεις. Η κεντρική θέση του πυριτίου στην σύγχρονη τεχνολογία οφείλεται κατά κύριο λόγο στην εξαιρετική διεπιφάνεια που σχηματίζει με το φυσικό του οξείδιο. Με την τεχνολογία CMOS και θεμελιώδεις μονάδες τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου MOSFET η υπολογιστική ισχύς των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αυξανόταν συνεχώς μέσω της μείωσης των φυσικών διαστάσεων των MOSFET. Το πρώτο σημαντικό εμπόδιο για την συνέχιση της σμίκρυνσης των τρανζίστορ, τα ρεύματα διαρροής λόγω του φαινομένου σήραγγας, ξεπεράστηκε επιτυχώς έξι χρόνια πριν με την αντικατάσταση του SiO2 στην πύλη των τρανζίστορ από υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Σήμερα, νέες τρισδιάστατες αρχιτεκτονικές (FinFET) χρησιμοποιούνται για την βελτίωση του ηλεκτροστατικού ελέγχου του καναλιού των τρανζίστορ που συνεχώς συρρικνώνεται. Στα επόμενα δέκα χρόνια η αντικατάσταση του πυριτίου στα λεγόμενα προηγμένα CMOS αναμένεται να δώσει μια ώθηση στις επιδόσεις των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για να εξισορροπήσουν τις αρνητικές επιπτώσεις της σμίκρυνσης των φυσικών διαστάσεων. To Ge και οι ΙΙΙ-V ημιαγωγοί είναι στο επίκεντρο της έρευνας για την αντικατάσταση του πυριτίου. Το μεγαλύτερο όμως ερευνητικό ενδιαφέρον έχουν επικεντρώσει υλικά που θα εισάγουν την σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία για την μετά-CMOS εποχή. Υλικά που σχηματίζουν σταθερές διδιάστατες δομές όπως το γραφένιο, MoS2, σιλισένιο και γερμανένιο ερευνώνται εντατικά και αναμένεται να προσφέρουν την απόλυτη σμίκρυνση μαζί με εξαιρετικό ηλεκτροστατικό έλεγχο περιορίζοντας το κανάλι στις δύο διαστάσεις. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται ζητήματα των προηγμένων και μετά-CMOS ηλεκτρονικών διατάξεων. Στο πρώτο μέρος εξετάζεται ένα κεντρικό ζήτημα στις ηλεκτρονικές διατάξεις Ge. Το φυσικό οξείδιο του γερμανίου, που σήμερα θεωρείται μια πιθανή λύση για την αδρανοποίηση της επιφάνειας του γερμανίου, είναι θερμοδυναμικά ασταθές. Η αποφυγή των ατελειών που προέρχονται από τα πτητικά προϊόντα γερμανίου είναι κρίσιμο ζήτημα για την αξιοπιστία των MOSFET γερμανίου. Χρησιμοποιώντας θεωρητικές μεθόδους διερευνούμε τις επιπτώσεις των ατελειών γερμανίου σε μια σειρά διηλεκτρικών. Παράλληλα, εξετάζεται θεωρητικά η έγχυση ατόμων μετάλλου σε διεπιφανειακό στρώμα διοξειδίου του γερμανίου και τα θεωρητικά αποτελέσματα αναδεικνύουν την σημασία του μεταλλικού σθένους στην επιλογή του διηλεκτρικού για την πύλη των τρανζίστορ. Αξιολογώντας ηλεκτρικές μετρήσεις MOS γερμανίου με στρώμα αδρανοποίησης GeO2 προτείνουμε έναν διαφορετικό δρόμο για την αδρανοποίηση της επιφάνειας του Ge με ταυτόχρονη αποφυγή των πτητικών προϊόντων γερμανίου με τη χρήση LaGeOx. Με φασματοσκοπικές μεθόδους αναδεικνύουμε την ευεργετική επίδραση στη χημεία της διεπιφάνειας που επιφέρει η παρουσία του La. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας εργασίας, που αποτελείται από δύο κεφάλαια, μελετώνται διδιάστατες δομές υποψήφιες για τις μετά-CMOS διατάξεις. Το σιλισένιο και το γερμανένιο αποτελούν τα διδιάστατα ανάλογα του γραφενίου αποτελούμενα από πυρίτιο και γερμάνιο αντίστοιχα. Θεωρητικές μελέτες έχουν προβλέψει την σταθερότητά τους αλλά σε αντίθεση με το γραφένιο δεν υπάρχουν σε φυσική μορφή και θα πρέπει να δημιουργηθούν σε κατάλληλα υποστρώματα. Παράλληλα η θεωρία προβλέπει την ύπαρξη φερμιονίων Dirac στην ηλεκτρονιακή δομή των υλικών αυτών. Στην παρούσα εργασία επιβεβαιώνουμε τον δομικό σχηματισμό του σιλισενίου σε υποστρώματα αργύρου και παρουσιάζουμε μια αναλυτική καταγραφή της ηλεκτρονιακής του δομής. Τα πειραματικά μας αποτελέσματα δείχνουν ότι το σιλισένιο στον άργυρο δεν φιλοξενεί φερμιόνια Dirac. Το γερμανένιο από την άλλη πλευρά δεν έχει μέχρι σήμερα δημιουργηθεί σε κάποιο υπόστρωμα. Στον άργυρο όμως, η εναπόθεση γερμανίου οδηγεί στην δημιουργία ενός επιφανειακού κράματος με μια χαρακτηριστική ηλεκτρονιακή δομή. Το κράμα αυτό συμπληρώνει μια σειρά διδιάστατων ηλεκτρονιακών συστημάτων που έχουν εμφανιστεί στον άργυρο τα τελευταία χρόνια και εκδηλώνουν έντονα το σχετικιστικό φαινόμενο Rashba. Η ηλεκτρονιακή δομή του συστήματος αυτού, άγνωστη μέχρι σήμερα, καταγράφεται αναλυτικά με ένα συνδυασμό υπολογισμών από πρώτες αρχές και μετρήσεων φασματοσκοπίας.