Продвинутая техника обнаружения выявляет дефекты транзисторов с беспрецедентной чувствительностью

Исследователи разработали и протестировали высокочувствительный метод обнаружения и подсчета дефектов в транзисторах — вопрос срочной заботы для полупроводниковой промышленности, поскольку она разрабатывает новые материалы для устройств следующего поколения. Эти дефекты ограничивают производительность транзистора и цепи и могут влиять на надежность продукта.

Типичный транзистор для большинства применений, по сути, является переключателем. Когда он включен, ток течет от одной стороны полупроводника к другой; выключение его останавливает ток. Эти действия соответственно создают бинарные 1 и 0 цифровой информации.

Производительность транзистора критически зависит от того, насколько надежно будет течь определенное количество тока. Дефекты в материале транзистора, такие как нежелательные области «примесей» или сломанные химические связи, прерывают и дестабилизируют поток. Эти дефекты могут проявляться немедленно или со временем, пока устройство работает.

За многие годы ученые нашли множество способов классификации и минимизации этих эффектов. Но дефекты становятся труднее для идентификации по мере того, как размеры транзисторов становятся почти невообразимо малыми, а скорости переключения — очень высокими. Для некоторых перспективных полупроводниковых материалов в разработке — таких как карбид кремния (SiC) вместо одного кремния (Si) для новых высокоэнергетических, высокотемпературных устройств — не было простого и прямого способа детально охарактеризовать дефекты.

Новый метод работает как с традиционным Si, так и с SiC, позволяя исследователям идентифицировать не только тип дефекта, но и их количество в заданном пространстве с измерением постоянного тока. Исследование фокусируется на взаимодействиях между двумя видами носителей электрического заряда в транзисторе: отрицательно заряженных электронах и положительно заряженных «дырках», которые являются пространствами, где электрон отсутствует в локальной атомной структуре.

Когда транзистор функционирует правильно, специфический электронный ток течет по желаемому пути. Если ток встречает дефект, электроны захватываются или смещаются и могут затем объединиться с дырками, образуя электрически нейтральную область в процессе, известном как рекомбинация. Каждая рекомбинация удаляет электрон из тока. Множественные дефекты вызывают потери тока, ведущие к неисправности. Цель — определить, где дефекты, их специфические эффекты и — идеально — их количество.

В новой работе исследователи сосредоточились на одной области, которая обычно составляет только около 1 миллиардной доли метра в толщину и миллионную долю метра в длину: границе, или канале, между тонким оксидным слоем и объемным полупроводниковым телом. Для исключительного фокусирования на активности в канале исследователи используют технику, называемую биполярным эффектом усиления (BAE), которая достигается путем расположения смещенных напряжений, приложенных к источнику, затвору и стоку, в определенной конфигурации.

Точный механизм, которым работает BAE, не был известен до тех пор, пока команда не разработала свою модель. До модели BAE схема использовалась строго как ресурс для применения напряжений и управления токами для измерений EDMR, что полезно для более качественной идентификации дефектов. Новая модель позволяет BAE как инструмент для количественного измерения количества дефектов и делает это только с токами и напряжениями.

Модель, которую исследователи протестировали в наборе концептуально-доказательных экспериментов на металл-оксид-полупроводниковых транзисторах, делает возможными количественные измерения. Техника может дать понимание наличия дестабилизирующих дефектов транзистора и путь к механистическому пониманию их формирования. С таким знанием было бы больше возможностей контролировать и уменьшать их для улучшения производительности и надежности транзистора.