PML bruger kombinerede optiske teknikker til at give vigtige svar på grafenstrukturer

At grafen er det varme nye materiale i fremtidens elektronikfremstillings verden er velkendt. Med sin høje transportørmobilitet og lave støj, grafen ses som en mulig kandidat til i sidste ende at erstatte silicium i integrerede kredsløb. At finde en måde til fuldt ud at karakterisere nye materialer såsom grafen er afgørende for det ultimative mål med succesfuld konstruktion og fremstilling af næste generations enheder. Forskere ved NISTs Physical Measurement Laboratory har bragt os et vigtigt skridt tættere på dette mål med bestemmelsen af ​​grafens arbejdsfunktion og båndjusteringen af ​​en grafen-isolator-halvlederstruktur ved at bruge de kombinerede optiske teknikker for intern fotoemission (IPE) ) og spektroskopisk ellipsometri (SE).

Mens IPE og SE har eksisteret i lang tid, først for nylig er forskere begyndt at kombinere teknikkerne til brug i karakterisering af integrerede kredsløbsenheder. IPE bruges til at måle energien af ​​elektroner udsendt fra materialer for at bestemme bindingsenergier. I det væsentlige, et lys skinner på en prøve, og en fotostrøm skabt af de udstødte elektroner måles. I SE, bredbåndslyskilder skinner på et materiale, og optiske egenskaber bestemmes ud fra reflektiviteten. Begge teknikker er virkelig håndværk. Kun en dygtig praktiserende læge kan udføre målingerne præcist.

"Vi er den eneste gruppe i USA, der bruger teknikkerne på fuld tid, ” forklarer Nhan Nguyen, af PML's Semiconductor and Dimensional Metrology Division. Nguyen, en verdenskendt ekspert i både IPE og SE, bringer et væld af erfaringer til de state-of-the-art faciliteter på NIST. "Nhan er en af velsagtens, to fotoemissionsspecialister verden over, der har en enorm dybde og erfaring i den måleteknik, ” fastslår David Gundlach, Nguyens projektleder. "Hvad angår ellipsometri, der er relativt få ellipsometriske specialister, der har det spektrale område, som han kan dække med de måleapparater, han har til rådighed for ham på NIST."

Nguyen brugte oprindeligt de kombinerede måleteknikker til med succes at bestemme energibarrierehøjderne og båndstrukturen for metal-oxid-halvleder (MOS) enheder. Med udgangspunkt i den undersøgelse, hans håb var, at han kunne karakterisere en grafen-isolator-halvleder (GIS) enhed på en tilsvarende ikke-destruktiv måde. Nuværende metoder til karakterisering af en sådan indretning anvender destruktive teknikker til tværsnit og analyse. Disse metoder ødelægger ikke kun enheden, men også potentielt kompromittere selve de elektroniske egenskaber, der bliver målt.

Båndjustering er vigtig i GIS-enheder, fordi de korrekte båndforskydninger er nødvendige for at forhindre uønskede lækstrømme i enhedsapplikationer. Med andre ord, hvis lagene ikke er opstillet på en præcis måde, enheden vil opføre sig anderledes end forventet, måske endda fejler totalt. Disse oplysninger er afgørende for succesfuld konstruktion og reproducerbar fremstillingsevne og pålidelighed af sådanne enheder. Endnu, indtil nu, ingen detaljeret undersøgelse af båndjusteringen af ​​disse enheder var blevet rapporteret.

Nguyen og hans team undersøgte en struktur, der bestod af en grafenfilm dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD), et degenereret doteret p-type siliciumsubstrat, og et 10 nm tykt termisk Si02-lag. Grafenfilmen, et kontinuerligt etatomslag, havde de nødvendige egenskaber (dvs. ekstremt tynd, robust, sammenhængende, og semi-transparent) for at muliggøre fremragende optisk transmission, der tillader elektriske målinger godt under overfladen.

Ved at bruge en kombination af IPE (opsætning inkluderede en 150 W bredbånds Xenon lyskilde og en kvart meter Czerny Turner monokromator til at indstille det indfaldende lys med fotonenergi) og SE, Nguyen var i stand til at se hele billedet af strukturens båndjustering. IPE afslørede forskydningen mellem bånd og hvordan de justerede i forhold til hinanden, men kun på den ene side af enheden. SE-målinger gjorde det muligt at beregne båndgab, hvilket førte til bestemmelsen af ​​hele båndstrukturen. "I enheder, Nguyen forklarer, "Vi vil have båndforskydninger store nok, så du ikke har støj eller lækage. Hvis de er for tæt på, elektronerne kan springe over. med IPE, du kan virkelig se dybere under materialets overflade uden at ændre grænsefladens egenskaber."

Nguyen var også i stand til at bestemme grafenlagets arbejdsfunktion, som kan variere meget afhængigt af hvad laget er placeret på og andre miljøfaktorer. Fremtidige undersøgelser vil fokusere på muligheden for reproducerbar kontrol af grafenlagets energiegenskaber baseret på slutenhedens behov.

Den potentielle indvirkning af denne afsluttede undersøgelse og offentliggjorte resultater på udviklingen af ​​fremtidige enheder er betydelig. I stedet for at udvikle en enhed og destruktivt måle, hvad der blev bygget bagefter for at bestemme dets elektriske egenskaber, enheder kan konstrueres med kendt elektrisk opførsel fra starten. "Nhans teknik er ekstremt værdifuld til at fremme fremtidens elektronik i fronterne af halvlederelektronik, avanceret fremstilling, og nanoproduktion, ” slutter Gundlach.

Ud over at studere manipulation af energiniveauer i et grafenlag, fremtidige studier vil bruge grafens unikke egenskaber til at studere andre materialer. Da grafen kan påføres i et meget tyndt og kontinuerligt lag, det giver mulighed for meget bedre optisk transmission end de tidligere anvendte semi-transparente metaller. Nguyen har til hensigt at stable grafenlaget på andre lag med ukendte egenskaber, bruge grafen som en nøgle til at forstå de ukendte lag nedenunder. "Dette har givet os adgang til målinger, der tidligere var utilgængelige, ” fastslår Nguyen. Dette er kritisk, da industrien bevæger sig ud over CMOS-teknologi. Nye halvledermaterialer, der bruges i mere komplicerede enhedsstrukturer og -arkitekturer, skal karakteriseres. Og nu har Nguyen og kolleger demonstreret en ikke-destruktiv måde at gøre det på.