عرض مصدر عازل كهربائي ذو ثابت عزل عالي القيمة

في [[تصنيع عناصر أشباه الموصلات|تقنية أشباه الموصلات]]، يعد '''العازل الكهربائي ذو ثابت عزل عالي القيمة''' مادة تحتوي على [[سماحية|ثابت عزل]] أعلى من <math>{\varepsilon}_\mathrm{r}</math> ل<nowiki/>[[ثنائي أكسيد السيليكون|ثاني أكسيد السيليكون]] التقليدي (&nbsp;&nbsp;3.9= ε<sub>r</sub>) أو أكسيد نيتريد السيليكون (<sub>εr</sub>&nbsp;<&nbsp;6).

المصطلح «ذو ثابت عزل عالي القيمة» {{رمز لغة|en|high-k}} حيث غالبًا ما يستخدم ثابت العزل <math>\kappa</math> ([[كابا|kappa]])، وفي حالة عدم وجود هذا الرمز يشار إليه أيضًا بـ &nbsp;''k'' .

== أسباب استخدام عوازل ذات ثوابت عزل عالي القيمة ==
[[ملف:Common_SiO2_vs_high-k_gate_stack_(DE).svg|تصغير|مقارنة بين مكدس طبقة البوابة التقليدية مع ثاني أكسيد السيليكون كعازل كهربائي وتشكيل طبقة بوابة مصنعة باستخدام تقنية البوابة المعدنية عالية k + (تمثيل مبسط). على الرغم من الطبقة العازلة السميكة ، فإن سعة البوابة أكبر 1.6 مرة ، مما يخفض من جهد العتبة <math>U_\mathrm{th}</math> .]]
من أجل تحسين خصائص الدوائر المتكاملة، على سبيل المثال لتقليل استهلاك الطاقة [[دارة متكاملة|للدوائر والمخزنات المتكاملة على نطاق واسع]] أو لتحقيق سرعات تحويل أعلى، يتم تصغير الهياكل. بسبب [[تصغير (تصنيع)|التصغير]] التدريجي للمكونات الإلكترونية الدقيقة، تصل صناعة أشباه الموصلات بشكل متزايد إلى حدودها المادية وتواجه تيارات تسرب أعلى بسبب التأثيرات [[ميكانيكا الكم|الميكانيكية الكمومية]]. وبالتالي، يزداد تيار النفق مع انخفاض [[عازل كهربائي|سماكة عازل]] البوابة إلى أقل من 2&nbsp; نانومتر. تعتبر [[سعة كهربية|السعات]] الكبيرة (لتخزين الحالة بين [[ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية|دورات التحديث]]) مع التيارات منخفضة التسرب (فقدان الطاقة) مهمة بشكل خاص لإنتاج الذاكرة. السعة <math>C</math> من مكثف لوحة بسيط، على سبيل المثال، تقدر بــ:

: <math> C= \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} A}{d}.</math>

حيث <math>d</math> المسافة بين الطبقات، <math>A</math> مساحة [[مكثف (كهرباء)|لوحات المكثف]]، <math>{\varepsilon}_{0}</math> [[سماحية]] [[فراغ (فيزياء)|الفراغ]] وثابت المادة <math>{\varepsilon}_\mathrm{r}</math> [[سماحية|السماحية النسبية]] لطبقة العزل.

وفقًا لذلك، من خلال استخدام مواد عالية الجودة (كبيرة <math>{\varepsilon}_\mathrm{r}</math>) يمكن زيادة سماكة [[عازل|الطبقة العازلة]] في هياكل أشباه الموصلات المعدنية (غالبًا ما تسمى [[موسفت|MOS]] بسبب SiO <sub>2</sub>) بينما تظل السعة كما هي، مما يقلل بشكل كبير من تيارات التسرب من خلال العازل السميك. لغرض المقارنة، غالبًا ما يتم دمج الخصائص (السعوية) لهذه الطبقات في مقدار واحد، {{رمز لغة|en|[[equivalent oxide thickness]]}} (EOT) «طبقة أكسيد مكافئة».

على النقيض من ذلك، توجد عوازل كهربائية ذات ثابت عزل منخفض القيمة، تُستخدم بين الوصلات البينية وتقليل [[سعة كهربية|السعات]] الطفيلية الناتجة بفضل ثابت العزل الكهربائي المنخفض.

== المواد ==
[[ملف:FET cross section.png|تصغير|upright=1.4|مقطع لـترانزسيستور n-channel [[موسفت|MOSFET]] يبين بوابة من عازل كهربائي أكسيدية. ]]

{| class="wikitable float-right sortable" style="text-align:center"
|+ثوابت عازلة <math>\varepsilon_\mathrm{r}</math> لمواد مختارة <ref>{{استشهاد بكتاب
| isbn = 3-540-21081-4
}}</ref>
! المادة
! <math>\varepsilon_\mathrm{r}</math>
! مسافة بين الطبقات<br /><br />بوحدة <br /><br /> 
[[إلكترون فولت]]
! الهيكل البلوري
|-
| SiO الحراري <sub>2</sub>
| 3.9
| 8.9
| زجاجي
|-
| <sub>Si3N4</sub> <sub>_</sub>
| 7
| 5.1
| زجاجي
|-
| <sub>Al2O3</sub> <sub>_</sub>
| 9
| 8.7
| زجاجي، غير بلوري
|-
| <sub>Y2O3</sub> <sub>_</sub>
| 15
| 5.6
| [[نظام بلوري مكعب|مكعب]]
|-
| ZrO <sub>2</sub>
| 25
| 7.8
| [[نظام بلوري أحادي الميل|مستطيل رباعي أو]] [[نظام بلوري رباعي|.]] مكعب
|-
| HfO <sub>2</sub>
| 25
| 5.7
| مستطيل رباعي أو مكعب
|-
| <sub>La2O3</sub> <sub>_</sub>
| 30
| 4.3
| نظام بلوري [[نظام بلوري سداسي|سداسي]]، مكعب
|-
| <sub>Ta2O5</sub> <sub>_</sub>
| 26
| 4.5
| نظام بلوري رباعي مائل
|-
| تيو <sub>2</sub>
| 80
| 3.5
| نظام بلوري رباعي (مثل [[روتيل]] أو [[أناتاز|أناتاس]])
|}
يتم تجريب أنظمة المواد المختلفة، مثل أكاسيد [[فلز|المعادن]] غير المتبلورة (على سبيل المثال&nbsp; [[أكسيد الألومنيوم|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]، {{وإو|تر= Tantalum pentoxide|عر=خماسي أكسيد التانتالوم|نص=Ta<sub id="mwlQ">2</sub>O<sub id="mwlg">5 </sub>}})، [[فلز انتقالي|المعادن الانتقالية]] (على سبيل المثال&nbsp;B. [[أكسيد الهافنيوم الرباعي|HfO<sub>2</sub>]] ، [[أكسيد الزركونيوم الرباعي|ZrO<sub>2</sub>]]) وأكاسيد مختلطة من سيليكات الهافنيوم وسيليكات [[سيليكات الزركونيوم الرباعي|الزركونيوم]]. توفر تيتانات السترونشيوم وتيتانات الباريوم أيضًا سماحية أعلى. كما يتم تجريب أكاسيد بلورية للأتربة [[عنصر أرضي نادر|النادرة]] (على سبيل المثال&nbsp;B. Pr <sub>2</sub> O <sub>3</sub> و Gd <sub>2</sub> O <sub>3</sub> و Y <sub>2</sub> O <sub>3</sub>) التي تسمح بنمو متطابق للشبكة البلورية وبالتالي تشكل مساحة بينية مثالية (ذات عدد قليل جدًا من [[عيب بلوري|عيوب الشبكة]]) بين [[شبه موصل|أشباه الموصلات]] والعازل.

== الطلاء ==
يمكن استخدام كل من العمليات [[ترسيب فيزيائي للبخار|الفيزيائية]] (PVD) [[ترسيب كيميائي للبخار|وترسيب البخار الكيميائي]] (CVD) لإنتاج طبقات رقيقة. يمكن استخدام [[ترسيب الطبقة الذرية]]، على سبيل المثال، لطبقات رقيقة جدًا في نطاق سمك يبلغ بضعة نانومترات. كما هو الحال مع جميع عمليات الطلاء الأخرى، يتم تحديد شروط الترسيب أولاً بشكل تجريبي أثناء تطوير العملية من خلال تغيير بيانات النظام (الضغط، وتدفقات الغاز، والغازات [[مركب طليعي|الأولية]]، وما إلى ذلك) على نظام الإنتاج المعني ثم تحسينها في تصميم [[تصميم التجارب|تجريبي إحصائي]] للإنتاج. تكون معلمات العملية المحددة بهذه الطريقة خاصة بالمصنع ونادرًا ما يمكن نقلها بشكل عام إلى مصانع أخرى؛ نظرًا للطلبات العالية جدًا على عملية الطلاء أو الطبقة، غالبًا ما ينطبق هذا أيضًا على أنظمة من نفس البناء. في البحث، تتم إضافة ما يسمى [[كشف (طب)|بفحص]] المواد لتطوير العملية وتحسينها، حيث يتم فحص ترسب الطبقة المرغوبة فيما يتعلق بغازات البداية المستخدمة (في عمليات CVD).

تعتبر المادة الأولية لجميع الأكاسيد المذكورة أعلاه والأكاسيد المختلطة معقدات معروفة من «المعادن» ذات الصلة التي يسهل إنتاجها نسبيًا في ظل ظروف لاهوائية صارمة. الشرط المهم لاستخدام المعقدات في إنتاج أشباه الموصلات هو ضغط بخار كافٍ للمركب عند درجة حرارة معتدلة (حوالي 300-600&nbsp;درجة مئوية). يفضل عادة مواد السلائف السائلة في درجة حرارة الغرفة. في بعض الحالات يستخدم &nbsp; HfCl <sub>4</sub> لترسيب HfO <sub>2</sub>&nbsp; ، ولكن تستخدم أيضًا مواد صلبة ذات ضغط تسامي مرتفع بدرجة كافية.

يتم توفير المواد الأساسية لفصل الأكسيد من قبل شركات الكيماويات الدقيقة المتخصصة أو من قبل الشركات المصنعة للمحفزات للتخليق العضوي أو إنتاج البلاستيك (على سبيل المثال إنتاج [[حفاز تسيغلر-ناتا|محفزات Ziegler-Natta]]). عادة ما تحصل صناعة أشباه الموصلات على الكميات الصغيرة التي تحتاجها من تجارة الكيماويات المختبرية أو من الموردين المتعاملين معها. مستوى سعر المركبات يكون مرتفعا أو مرتفعا جدا.

== انظر أيضًا ==

* تقنية البوابة المعدنية عالية k +
* [[موسفت|معدن أكسيد أشباه الموصلات تأثير الحقل الترانزستور]]

== المؤلفات ==

* {{استشهاد بكتاب
| DOI = 10.1063/1.1361065
}}
* {{استشهاد بكتاب
| DOI = 10.1088/0034-4885/69/2/R02
}}
* Samares Kar et al. (Hrsg.): ''Physics and Technology of High-K Gate Dielectrics'' (mehrere Bände). The Electrochemical Society, 2003–2008.

== روابط إنترنت ==

* [http://www.intel.com/technology/silicon/high-k.htm ''www.intel.com'' : "High-k and Metal Gate Research"] - موقع [[إنتل]] لتقنية النانو مع العديد من المقالات عالية الجودة.)

== المراجع ==
{{مراجع}}
{{شريط بوابات|تقانة النانو|إلكترونيات|الفيزياء|تقانة}}

[[تصنيف:ترانزستورات]]
[[تصنيف:تقانة أشباه الموصلات]]
[[تصنيف:هندسة الإلكترونيات]]