Новый метод изучения атомарных дефектов в полупроводниках
Новый метод изучения дефектов в полупроводниковых материалах может привести к повышению скорости, мощности и производительности электронных устройств за счет выявления ограничений современных материалов на атомном уровне.
Докторант технических наук и механики Федор Шаров регулирует настройки в спектрометре сверхнизкочастотного ЭДМР. Предоставлено: Келби Хохрайтер/Пенн Стейт.
Аналитический инструмент, разработанный группой исследователей из Пенсильвании под руководством бывшего аспиранта Пенсильванского университета Джеймса Эштона, использует чрезвычайно малые магнитные поля и частоты, намного меньшие, чем те, которые обычно используются в таких измерениях, для обнаружения и измерения дефектов в новых материалах, предоставляя структурную информацию о магнитных взаимодействиях между электронами и соседними магнитными ядрами более простым способом, чем это было возможно ранее.
Подход был опубликован в качестве обложки в Applied Physics Letters . По словам Патрика Ленахана, выдающегося профессора инженерных наук и механики в Университете штата Пенсильвания и научного руководителя докторской диссертации Эштона, этот инструмент позволяет исследователям сделать большой шаг к устранению различных неисправностей в устройствах следующего поколения.
Исследователи сосредоточились на полевых транзисторах на основе оксидов металлов (MOSFET), которые можно найти почти в каждом устройстве с интегральными схемами, от сотовых телефонов до компьютеров. МОП-транзисторы, ранее разрабатывавшиеся с использованием кремния и диоксида кремния , теперь могут быть изготовлены из других материалов, включая карбид кремния в качестве полупроводникового материала. Ленахан отметил, что относительно новый материал имеет существенные преимущества при высоких температурах и высоких мощностях. Однако, пояснил он, полевые МОП-транзисторы из карбида кремния ограничены дефектами атомного масштаба, которые исследователи не смогли полностью понять.
«Наличия одного незначительного дефекта, такого как отсутствующий атом на каждые, скажем, 5000 атомов на границе между карбидом кремния и оксидом затвора полевого МОП-транзистора, будет достаточно, чтобы разрушить любое устройство», — сказал Ленахан. «Итак, нам нужен был способ взглянуть на тонкое отклонение от совершенства, чтобы понять, что ограничивает производительность этих устройств».
Для обнаружения таких отклонений исследователи используют магнитный резонанс — аналогично технологии, которую клиницисты используют для визуализации аномалий мягких тканей в организме человека — для возбуждения электронов в SiC MOSFET. Эти измерения могут дать подробную информацию о несовершенствах материала, особенно в тех случаях, когда электроны взаимодействуют с несовершенствами атомного масштаба, такими как отсутствующие атомные узлы. Традиционно этот метод требовал сильного магнитного поля и имел чувствительность около 10 миллиардов дефектов — гораздо больше дефектов, чем в небольших устройствах на основе SiC. Однако недавно появилась более новая итерация метода, называемого магнитным резонансом с электрическим обнаружением, для которого размер поля не имеет отношения к чувствительности, и гораздо меньшие дефекты, ограничивающие устройство, могут быть непосредственно обнаружены во время работы. Ленахан.
«Тот факт, что вы можете заставить чрезвычайно чувствительный магнитный резонанс работать с чрезвычайно малыми магнитными полями, — это область, которая практически вообще не исследована», — сказал Ленахан. «Теоретики писали статьи, в которых спрашивали: «Предположим, вы могли бы провести такое измерение — что бы вы узнали?» И оказывается, есть способ, который мы продемонстрировали здесь с помощью нашего нового аналитического инструмента».
Работа была представлена на обложке журнала Applied Physics Letters того номера, в котором она появилась. Предоставлено: Келби Хохрайтер/Пенн Стейт.
Ленахан, Эштон и их команда применили обнаруженный электричеством магнитный резонанс для измерения влияния спина на взаимодействия атомного масштаба, зафиксированные в несовершенстве устройства с использованием чрезвычайно малых магнитных полей.
Спин описывает фундаментальную характеристику частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Все электроны, в том числе и захваченные на несовершенствах МОП-транзисторов, имеют спин, и ядра окружающих их атомов также могут иметь свой спин. Магнитный резонанс с электрическим обнаружением может измерять «сверхтонкие взаимодействия», которые представляют собой магнитные взаимодействия между электронными и ядерными спинами. Наблюдение за этими взаимодействиями может выявить структурные и химические детали этих дефектов.
«Люди интересовались электронно-ядерными сверхтонкими взаимодействиями более 60 лет, и этот инструмент предлагает новый способ взглянуть на эти взаимодействия в очень маленьких образцах с помощью электрических измерений», — сказал Ленахан. «Мы изучаем нанометр за микроном образцы — образцы, которые в миллиарды раз меньше, чем те, которые вы могли бы исследовать с помощью более традиционных методов резонанса, — поэтому мы действительно можем понять на атомном уровне, что ограничивает производительность. Это конкретное устройство. Исходя из этого понимания, мы можем предложить, как люди в промышленных научно-исследовательских лабораториях могут попытаться улучшить работу устройств».
По словам Стивена Моксима, соавтора публикации и докторанта инженерных наук и механики Пенсильванского университета, результаты также относятся к более фундаментальной физике спина.
«Когда спины электронов в дефектных центрах «переворачиваются» или изменяют свое спиновое состояние в эксперименте с магнитным резонансом, они в конечном итоге возвращаются в исходное спиновое состояние», — сказал он. «Помимо прочего, результаты здесь показывают, как этот процесс релаксации связан со средой, в которой существуют дефекты. В частности, они дают нам представление о том, как магнитные ядра, находящиеся рядом с электронами дефекта, влияют на процесс релаксации».
По словам Моксима, этот подход, основанный на относительно простом инструменте измерения постоянного электрического тока, потенциально может быть применен в области квантовых вычислений.
«Это всегда невероятно, когда вы видите пересечение теоретической физики и практической инженерии», — сказал Федор Шаров, соавтор и докторант инженерных наук и механики Университета штата Пенсильвания. «Идеи и теории десятилетней давности находят идеальное место в новой технике, о которой в недавнем прошлом теоретики, возможно, даже не думали».
