Eén enkele elektron kan je siliciumchip al beschadigen

Er is duidelijkheid over het ongrijpbare kwantummechanisme waarmee energierijke elektronen chemische bindingen verbreken in micro-elektronische apparaten – een schadelijk proces dat de prestaties in de loop der tijd langzaam aantast. De vondst verklaart decenniaoude experimentele raadsels en betrouwbaardere apparaten dichter bij.

De ontdekking van de afdeling Materiaalwetenschappen van UC Santa Barbara is gepubliceerd als een ‘Editors’ Suggestion’ in Physical Review B.

Zelfs de meest geavanceerde elektronische apparaten vertonen geleidelijke slijtage die uiteindelijk hun prestaties beperkt. De belangrijkste boosdoener is hete-dragerdegradatie (hot-carrier degradation, HCD), een fenomeen waarbij elektrisch geladen elektronen chemische veranderingen in halfgeleidermaterialen teweegbrengen. Tot nu toe waren de precieze fysische mechanismen achter dit proces onbekend.

De Computational Materials Group van professor Chris Van de Walle heeft nu het kwantummechanisme ontdekt dat bindingbreuk veroorzaakt. Het team richtte zich op de silicium-waterstofbindingen die aanwezig zijn nabij de silicium-oxide-interface in het hart van elke transistor. Waterstof wordt tijdens de productie opzettelijk toegevoegd om gebroken siliciumbindingen te passiveren – dit om te voorkomen dat ze fungeren als elektrisch actieve defecten die de prestaties verslechteren. Wanneer de transistor echter constant wordt blootgesteld aan elektronen die erdoorheen stromen, laat de waterstof soms los, waardoor de gebroken siliciumbindingen opnieuw worden blootgelegd en de prestaties van het apparaat verslechteren.

Verborgen elektronische toestand

De gangbare opvatting in het vakgebied was dat deze bindingbreuk het cumulatieve resultaat was van vele elektronen die de binding raakten. Het team van Van de Walle gebruikte kwantumsimulaties om aan te tonen dat het proces in feite wordt getriggerd door een enkel elektron. Ze identificeerden een voorheen verborgen elektronische toestand die een sleutelrol speelt in het mechanisme: wanneer een elektron met hoge energie deze toestand kortstondig bezet, verzwakt het de silicium-waterstofbinding en duwt het het waterstofatoom uit zijn positie.

Vervolgens ontdekte het team dat waterstof kwantummechanische wetten volgt in plaats van klassieke wetten wanneer het loskomt van de binding. Als waterstof zich als een klassiek deeltje zou gedragen, zouden we een eenvoudig criterium voor het verbreken van bindingen kunnen definiëren, gebaseerd op de afstand tussen de silicium- en waterstofatomen. Maar waterstof gedraagt ​​zich meer als een wolk of een ‘golfpakket’. Het verbreken van bindingen wordt dan gedefinieerd door de waarschijnlijkheid dat het waterstofgolfpakket zich uitstrekt tot voorbij een bepaalde afstand.

Experimenten verklaard

Dit verklaart meerdere experimentele waarnemingen die wetenschappers jarenlang voor raadsels stelden. Zo was het bijvoorbeeld onduidelijk waarom het verbreken van bindingen het meest schadelijk is wanneer de energie van het elektron rond de zeven elektronvolt ligt; de nieuwe resultaten tonen aan dat deze waarde overeenkomt met de energie van de voorheen onbekende elektronische toestand. Er was ook waargenomen dat het proces temperatuuronafhankelijk is en aanzienlijk langzamer verloopt (honderd keer langzamer) bij gebruik van deuterium als substituut voor waterstof. Deuterium is een isotoop die elektronisch identiek is aan waterstof, maar twee keer zo zwaar. Het nieuwe kwantummodel verklaart al deze effecten.

“Onze resultaten laten zien dat de wisselwerking tussen elektronen en kernen in een sterk niet-klassiek regime de drijvende kracht is achter het verbreken van bindingen”, aldus Woncheol Lee, eerste auteur. “Dit proces past niet in het gebruikelijke beeld van door verhitting veroorzaakte schade; het is een kortstondig kwantumfenomeen dat we nu kunnen modelleren zonder het aan een experiment te hoeven aanpassen.”

De bevinding is relevant voor meer dan alleen siliciumtechnologie. Door elektronen veroorzaakte bindingsbreuk komt voor in veel materialen, waaronder halfgeleiders die worden gebruikt voor Leds en vermogenselektronica.

“Het kwantumraamwerk dat we hebben ontwikkeld, biedt materiaalkundigen een voorspellend instrument om te bepalen welke chemische bindingen het meest waarschijnlijk zullen breken onder extreme omstandigheden”, aldus Van de Walle, “waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor het ontwikkelen van stabielere materialen met een langere levensduur.”