Dielectricos de alta κ novedosos para dispositivos electrónicos de próxima generación seleccionados mediante cálculos automatizados ab initio

A medida que la escala de transistores y capacitores en electrónica se reduce a menos de unos pocos nanómetros, las corrientes de fuga representan un problema serio para la fiabilidad del dispositivo. Para superar este dilema, se introducen materiales de alta κ que exhiben una mayor permitividad y ancho de banda como dielectréticos de puerta para mejorar tanto la capacitancia como bloquear las fugas simultáneamente. Actualmente, se utiliza ampliamente HfO2 como un dielectrico de alta κ; sin embargo, se desea un material de aún mayor κ para un mayor perfeccionamiento. Para encontrar nuevos materiales de alta κ, realizamos un cálculo ab initio de alto rendimiento para el ancho de banda y la permitividad. El cálculo preciso y eficiente se habilita mediante códigos de automatización recientemente desarrollados que automatizan completamente una serie de métodos delicados de manera altamente optimizada. Podemos, por lo tanto, calcular >1800 estructuras de óxidos binarios yternarios de la Base de Datos Estructural Cristalina Inorgánica y obtener un mapa total de propiedades. Confirmamos que la relación de correlación inversa entre el ancho de banda y la permitividad es aproximadamente válida para la mayoría de los óxidos. Sin embargo, nuevos materiales candidatos exhiben propiedades interesantes, como una gran permitividad, a pesar de sus grandes bandas prohibidas. Al analizar estos materiales, discutimos el origen de los grandes valores de κ y sugerimos reglas de diseño para encontrar nuevos materiales de alta κ que aún no se han descubierto. Se han utilizado cálculos automatizados ab initio para seleccionar 1,800 óxidos para encontrar aquellos con una constante dieléctrica alta (κ) y ancho de banda. Se necesitan dielectrónicos de alta κ para miniaturizar dispositivos microelectrónicos como CPU, DRAM y memoria flash. Idealmente, también deberían tener un gran ancho de banda, pero aún no se ha encontrado ningún dieléctrico que simultáneamente tenga ambos, un alto κ y un gran ancho de banda. Ahora, investigadores en Corea del Sur han realizado cálculos de primeros principios sobre casi todos los óxidos binarios y terciarios identificados hasta la fecha. Encontraron que, si bien existe una relación inversa aproximadamente entre la permitividad y el ancho de banda para la mayoría de los óxidos, varios óxidos desafían esta tendencia. Basado en los resultados de cálculo, compilaron una lista de 13 óxidos que muestran promesa para aplicaciones en CPU, DRAM y memoria flash. Se identifican nuevos materiales dielectricos de alta κ mediante cálculos automatizados ab initio sobre ~1800 óxidos. Se encuentra que el BeO cúbico posee una propiedad material sin precedentes de 10 eV para el ancho de banda y 275 para la constante dieléctrica. Se sugieren óxidos candidatos de alta κ para dispositivos microelectrónicos como CPU, DRAM y memoria flash.