هندسة الإجهاد

يشير مصطلح هندسة الإجهاد إلى استراتيجية عامة تُستخدم في تصنيع أشباه الموصلات لتحسين أداء الأجهزة. وتتحقق فوائد الأداء من خلال تعديل الإجهاد ، على سبيل المثال، في قناة الترانزستور ، مما يُحسّن حركة الإلكترونات (أو حركة الفجوات) وبالتالي الموصلية عبر القناة. ومن الأمثلة الأخرى المحفزات الضوئية لأشباه الموصلات المُهندسة بالإجهاد لتحقيق استخدام أكثر فعالية لضوء الشمس. ^{[ 1 ]}

أفادت العديد من الشركات المصنعة للمعالجات الدقيقة البارزة ، بما في ذلك AMD و IBM و Intel ، باستخدام تقنيات هندسة الإجهاد المختلفة، لا سيما فيما يتعلق  بتقنيات ما دون 130 نانومتر. ومن الاعتبارات الرئيسية في استخدام هندسة الإجهاد في تقنيات CMOS أن ترانزستورات PMOS وNMOS تستجيب بشكل مختلف لأنواع الإجهاد المختلفة. فعلى وجه التحديد، يتحسن أداء PMOS بشكل أفضل عند تطبيق إجهاد ضغط على القناة، بينما يستفيد NMOS من إجهاد الشد. ^{[ 2 ]} وتُحدث العديد من طرق هندسة الإجهاد إجهادًا موضعيًا، مما يسمح بتعديل إجهاد كل من القناة n والقناة p بشكل مستقل.

يتمثل أحد الأساليب البارزة في استخدام طبقة تغطية مُسببة للإجهاد. يُعدّ نيتريد السيليكون المُرسب كيميائيًا من البخار (CVD) خيارًا شائعًا لطبقة التغطية المُجهدة، حيث يُمكن تعديل مقدار ونوع الإجهاد (مثل الشد مقابل الضغط) عن طريق تغيير ظروف الترسيب، وخاصة درجة الحرارة. ^{[ 3 ]} يُمكن استخدام تقنيات الطباعة الحجرية القياسية لترسيب طبقات التغطية المُسببة للإجهاد بشكل انتقائي، لترسيب طبقة ضغط فوق ترانزستور PMOS فقط، على سبيل المثال.

تُعدّ طبقات التغطية عنصراً أساسياً في تقنية البطانة ثنائية الإجهاد (DSL) التي أعلنت عنها شركتا IBM وAMD. في عملية DSL، تُستخدم تقنيات النقش والطباعة الحجرية القياسية لترسيب طبقة من نيتريد السيليكون الشدّي بشكل انتقائي فوق ترانزستور NMOS، وطبقة من نيتريد السيليكون المضغوط فوق ترانزستور PMOS.

يتمثل نهج بارز آخر في استخدام محلول صلب غني بالسيليكون ، وخاصةً السيليكون- الجرمانيوم ، لتعديل إجهاد القناة. تتضمن إحدى طرق التصنيع النمو المتناحي للسيليكون فوق طبقة سفلية من السيليكون-الجرمانيوم المسترخي. يُستحث إجهاد شد في السيليكون نتيجة تمدد شبكة طبقة السيليكون لمحاكاة ثابت الشبكة الأكبر للسيليكون-الجرمانيوم الأساسي. في المقابل، يمكن استحثاث إجهاد ضغط باستخدام محلول صلب ذي ثابت شبكة أصغر، مثل السيليكون-الكربون. انظر، على سبيل المثال، براءة الاختراع الأمريكية رقم 7,023,018. تتضمن طريقة أخرى وثيقة الصلة استبدال منطقتي المصدر والمصب في ترانزستور MOSFET بالسيليكون -الجرمانيوم. ^{[ 4 ]}

يمكن إحداث الإجهاد في الأغشية الرقيقة إما عن طريق النمو المتناحي، أو مؤخرًا، عن طريق النمو الطوبولوجي.

ينشأ الإجهاد التناظري في الأغشية الرقيقة عمومًا نتيجةً لعدم تطابق الشبكة البلورية بين الغشاء وركيزته، وإعادة تشكيل الوصلة الثلاثية عند سطحها، والتي تنشأ إما أثناء نمو الغشاء أو نتيجةً لعدم تطابق التمدد الحراري . ^{[ 5 ]} ويمكن استخدام ضبط هذا الإجهاد التناظري لتعديل خصائص الأغشية الرقيقة وتحفيز التحولات الطورية. معامل عدم التطابق (${\displaystyle f}$) يتم إعطاؤها بالمعادلة أدناه: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle f=(a_{s}-a_{e})/a_{e}}$

أين${\displaystyle a_{e}}$يمثل معامل الشبكة للطبقة الرقيقة المترسبة، و${\displaystyle a_{s}}$يمثل معامل الشبكة للركيزة. بعد بلوغ سُمك حرج معين للطبقة، يصبح من المُفضّل طاقيًا تخفيف بعض إجهاد عدم التطابق من خلال تكوين انخلاعات عدم التطابق أو التوائم الدقيقة. يمكن تفسير انخلاعات عدم التطابق على أنها رابطة غير مكتملة عند السطح البيني بين طبقات ذات ثوابت شبكية مختلفة. هذا السُمك الحرج (${\displaystyle h_{c}}$تم حساب ) بواسطة ماثيوز وبليكيسلي على النحو التالي:

${\displaystyle h_{c}={\frac {b(2-\nu cos^{2}\alpha )[ln(h_{c}/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}}$

أين${\displaystyle b}$يمثل طول متجه برجر ،${\displaystyle \nu }$هي نسبة بواسون،${\displaystyle \alpha }$هي الزاوية بين متجه برجر وخط الخلع غير المتطابق، و${\displaystyle \lambda }$هي الزاوية بين متجه بورغرز والمتجه العمودي على مستوى انزلاق الخلع. إجهاد التوازن في المستوى لغشاء رقيق بسمك (${\displaystyle h}$) الذي يتجاوز${\displaystyle h_{c}}$ثم يُعطى ذلك بالصيغة التالية:

${\displaystyle \epsilon _{||}={\frac {f}{|f|}}{\frac {b(1-\nu cos^{2}(\alpha )[ln(h/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}}$

يحدث استرخاء الإجهاد عند أسطح الأغشية الرقيقة عبر تكوين وتكاثر الانخلاعات غير المتطابقة على ثلاث مراحل يمكن تمييزها بناءً على معدل الاسترخاء. تهيمن المرحلة الأولى على انزلاق الانخلاعات الموجودة مسبقًا، وتتميز بمعدل استرخاء بطيء. أما المرحلة الثانية، فتتميز بمعدل استرخاء أسرع، يعتمد على آليات تكوين الانخلاعات في المادة. وأخيرًا، تمثل المرحلة الأخيرة تشبعًا في استرخاء الإجهاد نتيجة لتصلب الإجهاد. ^{[ 7 ]}

لقد دُرست هندسة الإجهاد بشكلٍ وافٍ في أنظمة الأكاسيد المعقدة ، حيث يمكن للإجهاد الطبقي أن يؤثر بقوة على الترابط بين درجات حرية الدوران والشحنة والمدار، وبالتالي يؤثر على الخصائص الكهربائية والمغناطيسية. وقد ثبت أن الإجهاد الطبقي يحفز انتقالات المعدن-العازل ويُغير درجة حرارة كوري للانتقال من الحالة المضادة للمغناطيسية إلى الحالة المغناطيسية الحديدية.${\displaystyle {\ce {La_{1-x}Sr_{x}MnO_{3}}}}$[ ^{٨ ]} في الأغشية الرقيقة المصنوعة من السبائك، لوحظ أن الإجهاد التبلوري يؤثر على عدم استقرار الطور، وبالتالي يؤثر على القوة الدافعة لانفصال الطور. ويُفسر ذلك بأنه اقتران بين الإجهاد التبلوري المفروض والخواص المرنة للنظام التي تعتمد على تركيبه ^{. [ ٩ ]}

حقق الباحثون مؤخرًا إجهادًا في أغشية الأكسيد السميكة يفوق ما يُحقق في النمو الطبقي، وذلك من خلال دمج بنى نانوية (غيرا وفيزينوف، 2002) ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} وقضبان/أعمدة نانوية ضمن مصفوفة غشاء الأكسيد. ^{[ 13 ] [ 14 ]} وبعد هذا العمل، ابتكر باحثون حول العالم هياكل نانوية ذاتية التنظيم ومنفصلة الطور في العديد من أغشية الأكسيد، كما هو موضح هنا. ^{[ 15 ]} في عام 2008، نشر ثولين وغيرا ^{​​[ 16 ]} حسابات لبنية نطاقات أناتاز التيتانيا المعدلة بالإجهاد، والتي أشارت إلى زيادة في حركة الثقوب مع ازدياد الإجهاد. بالإضافة إلى ذلك، في مواد ثنائية الأبعاد مثل WSe_{وقد ثبت أن الإجهاد 2} يحفز التحول من شبه موصل غير مباشر إلى شبه موصل مباشر مما يسمح بزيادة معدل انبعاث الضوء بمقدار مائة ضعف. ^{[ 17 ]}

يلعب هندسة الإجهاد دورًا محوريًا في مصابيح LED من النوع III-N ، وهي من أكثر أنواع مصابيح LED انتشارًا وكفاءة، والتي اكتسبت شهرة واسعة بعد حصولها على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2014. تستخدم معظم مصابيح LED من النوع III-N مزيجًا من GaN و InGaN ، حيث يُستخدم الأخير كمنطقة البئر الكمومي . ويمكن ضبط تركيبة الإنديوم (In) داخل طبقة InGaN لتغيير لون الضوء المنبعث من هذه المصابيح. ^{[ 18 ]} ومع ذلك، فإن الطبقات الرقيقة للبئر الكمومي في مصابيح LED تتميز بثوابت شبكية غير متطابقة بطبيعتها ، مما يُسبب إجهادًا بين الطبقات. وبسبب تأثير ستارك الكمومي المحصور (QCSE)، فإن دوال الموجة للإلكترونات والفجوات لا تتطابق داخل البئر الكمومي، مما يؤدي إلى انخفاض تكامل التداخل، وانخفاض احتمالية إعادة التركيب، وزيادة عمر حاملات الشحنة. وبالتالي، فإن تطبيق إجهاد خارجي يمكن أن يلغي الإجهاد الداخلي للبئر الكمومي، مما يقلل من عمر الناقل ويجعل مصابيح LED مصدر ضوء أكثر جاذبية للاتصالات والتطبيقات الأخرى التي تتطلب سرعات تعديل سريعة. ^{[ 19 ]}

باستخدام هندسة الإجهاد المناسبة، يُمكن إنماء مصابيح LED من النوع III-N على ركائز السيليكون. ويمكن تحقيق ذلك عبر قوالب مُخففة الإجهاد، وشبكات فائقة ، وركائز شبهية. ^{[ 20 ]} علاوة على ذلك، أظهرت الركائز المعدنية المطلية كهربائيًا نتائج واعدة في تطبيق إجهاد خارجي معاكس لزيادة كفاءة مصابيح LED الإجمالية. ^{[ 21 ]}

عادةً، يتراوح الحد الأقصى للإجهاد المرن الذي يمكن تحقيقه في المواد الصلبة العادية بين 0.1% و1%. وهذا يحد من قدرتنا على تعديل خصائص المواد بشكل فعال وقابل للعكس وبطريقة كمية باستخدام الإجهاد. مع ذلك، أظهرت الأبحاث الحديثة على المواد النانوية أن نطاق الإجهاد المرن أوسع بكثير. فحتى أصلب مادة في الطبيعة، الماس ، ^{[ 23 ]} يُظهر إجهادًا مرنًا منتظمًا يصل إلى 9.0% على المستوى النانوي. ^{[ 24 ]} وتماشيًا مع قانون مور ، تتقلص أجهزة أشباه الموصلات باستمرار إلى المستوى النانوي. وبمفهوم "الأصغر أقوى"، ^{[ 25 ]} يمكن استغلال هندسة الإجهاد المرن بشكل كامل على المستوى النانوي.

في هندسة الإجهاد المرن على المستوى النانوي، يلعب الاتجاه البلوري دورًا حاسمًا. فمعظم المواد غير متجانسة الخواص، أي أن خصائصها تتغير بتغير الاتجاه. وينطبق هذا بشكل خاص على هندسة الإجهاد المرن، إذ أن تطبيق الإجهاد في اتجاهات بلورية مختلفة قد يؤثر بشكل كبير على خصائص المادة. فعلى سبيل المثال، تُظهر محاكاة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) في الماس سلوكيات متباينة في معدلات انخفاض فجوة النطاق عند تعرضه للإجهاد في اتجاهات مختلفة. يؤدي الإجهاد في الاتجاه <110> إلى معدل انخفاض أعلى في فجوة النطاق، بينما يؤدي الإجهاد في الاتجاه <111> إلى معدل انخفاض أقل، ولكنه يُحدث تحولًا من فجوة نطاق غير مباشرة إلى فجوة نطاق مباشرة. ويمكن ملاحظة تحول مماثل من فجوة نطاق غير مباشرة إلى مباشرة في السيليكون المُجهد . نظريًا، يتطلب تحقيق هذا التحول في فجوة النطاق في السيليكون ^{[ 26 ]} إجهادًا أحادي المحور يزيد عن 14%.

في حالة الإجهاد المرن، عند تجاوز حد معين، يحدث تشوه لدن نتيجة الانزلاق وحركة الانخلاعات في البنية المجهرية للمادة. لا يُستخدم التشوه اللدن عادةً في هندسة الإجهاد لصعوبة التحكم في نتيجته المنتظمة. يتأثر التشوه اللدن بالتشوه الموضعي أكثر من تأثره بمجال الإجهاد الكلي الملاحظ في الإجهاد المرن. مع ذلك، تتمتع المواد ثنائية الأبعاد بنطاق أوسع من الإجهاد المرن مقارنةً بالمواد الصلبة، لافتقارها إلى آليات التشوه اللدن التقليدية كالانزلاق والانخلاعات. إضافةً إلى ذلك، يسهل تطبيق الإجهاد على طول اتجاه بلوري محدد في المواد ثنائية الأبعاد مقارنةً بالمواد الصلبة.

أظهرت الأبحاث الحديثة تقدماً ملحوظاً في هندسة الإجهاد في المواد ثنائية الأبعاد من خلال تقنيات مثل تشويه الركيزة ^{[ 27 ] [ 28 ]} ، وتحفيز تموج المادة ^{[ 29 ] [ 30 ]} ، وخلق عدم تناظر في الشبكة البلورية ^{[ 31 ]} . تُحسّن هذه الطرق لتطبيق الإجهاد الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والحرارية والبصرية للمادة بشكل فعال. على سبيل المثال، في المرجع ^{[ 27 ]} المذكور، تنخفض الفجوة البصرية لطبقة أحادية وثنائية من MoS2 بمعدلات تقارب 45 و120 ملي إلكترون فولت/% على التوالي، تحت تأثير إجهاد أحادي المحور يتراوح بين 0 و2.2%. بالإضافة إلى ذلك، تنخفض شدة التألق الضوئي لطبقة أحادية من MoS2 عند إجهاد 1%، مما يشير إلى انتقال من فجوة نطاق غير مباشرة إلى مباشرة. كما يُبين المرجع ^{[ 29 ]} أن التموج المُهندس بالإجهاد في الفوسفور الأسود يؤدي إلى تغيرات في فجوة النطاق تتراوح بين +10% و-30%. في حالة ReSe2، تشير المراجع ^{[ 30 ]} إلى تكوّن تراكيب تجعّد موضعية عند استرخاء الركيزة بعد شدّها. ينتج عن عملية الطي هذه انزياح نحو الأحمر في ذروة طيف الامتصاص، مما يؤدي إلى زيادة امتصاص الضوء وتغييرات في الخصائص المغناطيسية وفجوة الطاقة. كما أجرى فريق البحث اختبارات منحنى التيار-الجهد على العينات المشدودة، ووجد أن الشدّ بنسبة 30% ينتج عنه مقاومة أقل مقارنةً بالعينات غير المشدودة. مع ذلك، أظهر الشدّ بنسبة 50% تأثيرًا معاكسًا، حيث كانت المقاومة أعلى مقارنةً بالعينات غير المشدودة. يُعزى هذا السلوك إلى طيّ ReSe2، حيث تكون المناطق المطوية ضعيفة بشكل خاص.

• السيليكون المشدود