Nyt værktøj måler atomare skala defekter, identificerer transistorbegrænsninger

En ny teknik til at studere defekter i halvledermaterialer kan føre til forbedret hastighed, kraft og ydeevne af elektroniske enheder ved at afsløre atomniveaubegrænsningerne for avancerede materialer.

Det analytiske værktøj, der er udviklet af et Penn State-ledet team af forskere og ledet af tidligere Penn State-studerende James Ashton, gør brug af ekstremt små magnetiske felter og frekvenser, der er langt mindre end dem, der typisk bruges i sådanne målinger til at detektere og måle ufuldkommenheder i nye materialer , der giver strukturel information om de magnetiske vekselvirkninger mellem elektroner og nærliggende magnetiske kerner på en enklere måde end tidligere muligt.

Tilgangen blev publiceret som en forsideartikel i Applied Physics Letters . Ifølge Patrick Lenahan, anerkendt professor i ingeniørvidenskab og mekanik ved Penn State og Ashtons doktorafhandlingsrådgiver, giver værktøjet forskere mulighed for at tage et stort skridt hen imod at løse en række fejl i næste generations enheder.

Forskerne fokuserede på metaloxid-halvlederfelteffekttransistorer (MOSFET'er), som findes i næsten alle enheder med integrerede kredsløb, fra mobiltelefoner til computere. Tidligere designet med silicium og siliciumdioxid, MOSFET'er kan nu fremstilles med andre materialer, herunder siliciumcarbid som det halvledende materiale. Lenahan påpegede, at det relativt nye materiale har væsentlige fordele til høje temperaturer og højeffektapplikationer. Han forklarede imidlertid, at MOSFET'er af siliciumcarbid er begrænset af atomare skala defekter, som forskere ikke har været i stand til fuldt ud at forstå.

"Tilstedeværelsen af ​​en subtil defekt, som et manglende atomsted pr. f.eks. 5.000 atomer ved grænsen mellem siliciumcarbidet og MOSFET-gateoxidet, vil være nok til at ødelægge enhver enhed," sagde Lenahan. "Så vi havde brug for en måde at se på den subtile afvigelse fra perfektion for at forstå, hvad der begrænser ydeevnen af ​​disse enheder."

For at opdage sådanne afvigelser bruger forskere magnetisk resonans - svarende til den teknologi, klinikere bruger til at visualisere abnormiteter i blødt væv i den menneskelige krop - til at excitere elektroner i SiC MOSFET'er. Disse målinger kan give detaljerede oplysninger om materialets ufuldkommenheder, især hvor elektronerne interagerer med ufuldkommenheder i atomare skala, såsom manglende atomsteder. Traditionelt krævede denne teknik et højt magnetfelt og havde en følsomhed på omkring 10 milliarder defekter - langt flere defekter end dem, der findes i de små SiC-enheder. For nylig er der dog opstået en nyere iteration af teknikken, kaldet elektrisk detekteret magnetisk resonans, hvor feltets størrelse er irrelevant for følsomheden og en meget mindre af enhedsbegrænsende defekter kunne detekteres direkte under elektrisk drift, iflg. Lenahan.

"Det faktum, at du kan få ekstremt følsom magnetisk resonans til at arbejde med ekstremt små magnetiske felter, er et område, som dybest set ikke er undersøgt overhovedet," sagde Lenahan. "Teoretikere har skrevet papirer og spurgt:'Antag, at du kunne foretage sådan en måling - hvad kan du finde ud af?' Og det viser sig, at der er en måde, som er det, vi har demonstreret her med vores nye analytiske værktøj."

Lenahan, Ashton og deres team anvendte elektrisk detekteret magnetisk resonans for at måle virkningerne af spin på atomskala-interaktioner, der er fanget ved en ufuldkommenhed i en enhed ved hjælp af ekstraordinært små magnetiske felter.

Spin beskriver en grundlæggende karakteristik af partikler såsom elektroner, protoner og neutroner. Alle elektroner, inklusive dem, der fanges ved ufuldkommenhederne i MOSFET'er, har spin, og kernerne af atomer, der omgiver dem, kan også have deres eget spin. Elektrisk detekteret magnetisk resonans kan måle de "hyperfine interaktioner", som er de magnetiske interaktioner mellem elektron- og kernespind. Observation af disse interaktioner kan afsløre strukturelle og kemiske detaljer om disse defekter.

"Folk har været interesseret i elektron-nuklear hyperfine interaktioner i over 60 år, og dette værktøj giver en ny måde at se på disse interaktioner i meget små prøver med en elektrisk måling," sagde Lenahan. "Vi ser på nanometer for mikron-for-mikron prøver - prøver, der er milliarder af gange mindre, end hvad man kunne undersøge med mere konventionelle resonansteknikker - så vi virkelig kan forstå på atomniveau, hvad det er, der begrænser ydeevnen af denne særlige enhed. Ud fra den forståelse kan vi foreslå, hvordan folk i industrielle forsknings- og udviklingslaboratorier kan forsøge at få enhederne til at fungere bedre."

Ifølge Stephen Moxim, en medforfatter på publikationen og Penn State ingeniørvidenskab og mekanik ph.d.-studerende, vedrører resultaterne også mere grundlæggende spinfysik.

"Når elektronspin i defektcentre 'vender' eller ændrer deres spintilstand i et magnetisk resonanseksperiment, slapper de til sidst tilbage til deres oprindelige spintilstand," sagde han. "Resultaterne her viser blandt andet, hvordan denne afspændingsproces hænger sammen med det miljø, som defekterne eksisterer i. Konkret giver de os en idé om, hvordan de magnetiske kerner, der sidder i nærheden af ​​de defekte elektroner, påvirker afslapningsprocessen."

Ifølge Moxim kan denne tilgang, bygget på et relativt simpelt værktøj til måling af jævnstrøm, potentielt oversættes til kvanteberegningsområdet.

"Det er altid utroligt, når du ser skæringspunktet mellem teoretisk fysik og praktisk teknik," sagde Fedor Sharov, medforfatter og Penn State ingeniørvidenskabs- og mekanikstuderende. "Idéer og teorier fra årtier siden finder et perfekt hjem i en ny teknik, som teoretikere i den seneste tid måske ikke engang havde overvejet." + Udforsk yderligere

Nanoskalastrømme forbedrer forståelsen af ​​kvantefænomener