Nytt verktøy måler atomskala defekter, identifiserer transistorbegrensninger

En ny teknikk for å studere defekter i halvledermaterialer kan føre til forbedret hastighet, kraft og ytelse til elektroniske enheter ved å avsløre atomnivåbegrensningene til avanserte materialer.

Utviklet av et Penn State-ledet team av forskere og ledet av tidligere Penn State-student James Ashton, bruker det analytiske verktøyet ekstremt små magnetiske felt og frekvenser som er langt mindre enn de som vanligvis brukes i slike målinger for å oppdage og måle ufullkommenheter i nye materialergir strukturell informasjon om magnetiske interaksjoner mellom elektroner og nærliggende magnetiske kjerner på en enklere måte enn tidligere mulig.

Tilnærmingen ble publisert som en forsideartikkel i Anvendt fysikk bokstaver. I følge Patrick Lenahan, en fremtredende professor i ingeniørvitenskap og mekanikk ved Penn State og Ashtons doktorgradsrådgiver, lar verktøyet forskere ta et stort skritt mot å løse en rekke feil i neste generasjons enheter.

Forskerne fokuserte på metalloksid-halvlederfelteffekttransistorer (MOSFETs), som finnes i nesten alle enheter med integrerte kretser, fra mobiltelefoner til datamaskiner. Tidligere designet med silisium og silisiumdioksid, MOSFET-er kan nå fremstilles med andre materialer, inkludert silisiumkarbid som halvledende materiale. Lenahan påpekte at det relativt nye materialet har betydelige fordeler for høye temperaturer og høyeffektapplikasjoner. Men, forklarte han, er silisiumkarbid-MOSFET-er begrenset av atomskala-defekter som forskere ikke har vært i stand til å forstå fullt ut.

“Tilstedeværelsen av en subtil defekt, som et manglende atomsted per for eksempel 5000 atomer ved grensen mellom silisiumkarbid og MOSFET-gateoksidet, vil være nok til å ødelegge enhver enhet,” sa Lenahan. “Så vi trengte en måte å se på det subtile avviket fra perfeksjon, for å forstå hva som begrenser ytelsen til disse enhetene.”

For å oppdage slike avvik bruker forskere magnetisk resonans– i likhet med teknologien klinikere bruker for å visualisere abnormiteter i bløtvev i menneskekroppen – for å eksitere elektroner i SiC MOSFET-er. Disse målingene kan gi detaljert informasjon om materialets ufullkommenhet, spesielt der elektronene samhandler med ufullkommenheter i atomskala, for eksempel manglende atomsteder. Tradisjonelt krevde denne teknikken et høyt magnetfelt og hadde en følsomhet på rundt 10 milliarder defekter – langt flere defekter enn de som er tilstede i de små SiC-enhetene. Nylig har det imidlertid dukket opp en nyere iterasjon av teknikken, kalt elektrisk detektert magnetisk resonans, hvor størrelsen på feltet er irrelevant for følsomhet og en mye mindre av enhetsbegrensende defekter kunne detekteres direkte under elektrisk drift, iht. Lenahan.

“Det faktum at du kan få ekstremt følsom magnetisk resonans til å fungere med ekstremt små magnetiske felt er et område som i utgangspunktet ikke er undersøkt i det hele tatt,” sa Lenahan. “Teoretikere har skrevet artikler som spør: ‘Anta at du kan gjøre en slik måling – hva kan du finne ut?’ Og det viser seg at det er en måte, som er det vi har demonstrert her med vårt nye analytiske verktøy.”

Lenahan, Ashton og teamet deres brukte elektrisk detektert magnetisk resonans for å måle effekten av spinn på atomskala-interaksjoner fanget ved en ufullkommenhet i en enhet ved bruk av ekstraordinært små magnetiske felt.

Spin beskriver en grunnleggende egenskap ved partikler som elektroner, protoner og nøytroner. Alle elektroner, inkludert de som fanges ved ufullkommenhetene i MOSFET-er, har spinn, og atomkjernene som omgir dem kan også ha sitt eget spinn. Elektrisk detektert magnetisk resonans kan måle de “hyperfine interaksjonene”, som er de magnetiske interaksjonene mellom elektron- og kjernespinn. Å observere disse interaksjonene kan avsløre strukturelle og kjemiske detaljer om disse defektene.

“Folk har vært interessert i elektron-kjernefysiske hyperfine interaksjoner i over 60 år, og dette verktøyet gir en ny måte å se på disse interaksjonene på veldig små prøver med en elektrisk måling,” sa Lenahan. “Vi ser på nanometer for mikron-for-mikron prøver – prøver som er milliarder av ganger mindre enn det du kan undersøke med mer konvensjonelle resonansteknikker – slik at vi virkelig kan forstå på et atom. nivå hva det er som begrenser ytelsen til denne spesielle enheten. Fra den forståelsen kan vi foreslå hvordan folk i industrielle forsknings- og utviklingslaboratorier kan prøve å få enhetene til å fungere bedre.”

I følge Stephen Moxim, en medforfatter på publikasjonen og doktorgradsstudent for ingeniørvitenskap og mekanikk i Penn State, er resultatene også knyttet til mer grunnleggende spinnfysikk.

“Når elektronspinn i defektsentre “snus” eller endrer spinntilstanden deres i et magnetisk resonanseksperiment, slapper de til slutt av tilbake til sin opprinnelige spinntilstand,” sa han. “Blant annet viser resultatene her hvordan denne avspenningsprosessen er relatert til miljøet der defektene eksisterer. De gir oss konkret en idé om hvordan magnetkjernene som sitter nær de defekte elektronene påvirker avspenningsprosessen.”

I følge Moxim kan denne tilnærmingen, bygget på et relativt enkelt måleverktøy for likestrøm, potensielt oversettes til feltet kvanteberegning.

“Det er alltid utrolig når du ser skjæringspunktet mellom teoretisk fysikk og praktisk ingeniørfag,” sa Fedor Sharov, medforfatter og doktorgradsstudent for ingeniørvitenskap og mekanikk i Penn State. “Ideer og teorier fra flere tiår siden finner et perfekt hjem i en ny teknikk som teoretikere i den siste tiden kanskje ikke engang har vurdert.”

---

---