Gevoelige methode voor het detecteren van transistordefecten

Onderzoekers bedachten en testten een zeer gevoelige methode voor het detecteren en tellen van defecten in transistors - een zaak van dringende zorg voor de halfgeleiderindustrie omdat deze nieuwe materialen ontwikkelt voor apparaten van de volgende generatie. Deze defecten beperken de prestaties van de transistor en het circuit en kunnen de betrouwbaarheid van het product beïnvloeden.

Een typische transistor is voor de meeste toepassingen in feite een schakelaar. Als het aan is, stroomt er stroom van de ene kant van een halfgeleider naar de andere; uitzetten stopt de stroom. Die acties creëren respectievelijk de binaire enen en nullen van digitale informatie.

De prestaties van de transistor hangen in grote mate af van hoe betrouwbaar een bepaalde hoeveelheid stroom zal vloeien. Defecten in het transistormateriaal, zoals ongewenste "onzuiverheids"-gebieden of verbroken chemische bindingen, onderbreken en destabiliseren de stroom. Deze defecten kunnen zich onmiddellijk of na verloop van tijd manifesteren terwijl het apparaat in werking is.

Gedurende vele jaren hebben wetenschappers talloze manieren gevonden om die effecten te classificeren en te minimaliseren. Maar defecten worden moeilijker te identificeren omdat de afmetingen van de transistor bijna onvoorstelbaar klein worden en de schakelsnelheden erg hoog. Voor sommige veelbelovende halfgeleidermaterialen in ontwikkeling - zoals siliciumcarbide (SiC) in plaats van alleen silicium (Si) voor nieuwe apparaten met hoge energie en hoge temperaturen - was er geen eenvoudige en duidelijke manier om defecten in detail te karakteriseren.

De nieuwe methode werkt met zowel traditioneel Si als SiC, waardoor onderzoekers niet alleen het type defect kunnen identificeren, maar ook het aantal ervan in een bepaalde ruimte met een DC-meting. Het onderzoek richt zich op interacties tussen de twee soorten elektrische ladingsdragers in een transistor:negatief geladen elektronen en positief geladen 'gaten', dit zijn ruimtes waar een elektron ontbreekt in de lokale atomaire structuur.

Wanneer een transistor correct functioneert, vloeit er een specifieke elektronenstroom langs het gewenste pad. Als de stroom een ​​defect tegenkomt, worden elektronen gevangen of verplaatst en kunnen ze vervolgens worden gecombineerd met gaten om een ​​elektrisch neutraal gebied te vormen in een proces dat bekend staat als recombinatie. Elke recombinatie verwijdert een elektron uit de stroom. Meerdere defecten veroorzaken stroomverliezen die tot storingen leiden. Het doel is om te bepalen waar de defecten zitten, hun specifieke effecten en - idealiter - het aantal ervan.

In het nieuwe werk concentreerden de onderzoekers zich op één gebied dat typisch slechts ongeveer 1 miljardste van een meter dik en een miljoenste van een meter lang is:de grens, of het kanaal, tussen de dunne oxidelaag en het bulkhalfgeleiderlichaam. Om zich uitsluitend te concentreren op activiteit in het kanaal, gebruiken onderzoekers een techniek genaamd bipolair amplificatie-effect (BAE), dat wordt bereikt door de voorspanningen die op de source, gate en drain worden toegepast in een bepaalde configuratie te rangschikken.

Het exacte mechanisme waarmee BAE werkt, was niet bekend totdat het team zijn model ontwikkelde. Vóór het model van BAE werd het schema uitsluitend gebruikt als hulpmiddel voor het toepassen van spanningen en het regelen van stromen voor EDMR-metingen, wat nuttig is voor een meer kwalitatieve identificatie van defecten. Het nieuwe model stelt BAE als hulpmiddel in staat om het aantal defecten kwantitatief te meten en dit te doen met alleen stromen en spanningen.

Het model, dat de onderzoekers testten in een reeks proof-of-concept-experimenten op metaaloxide-halfgeleidertransistors, maakt kwantitatieve metingen mogelijk. De techniek kan inzicht verschaffen in de aanwezigheid van destabiliserende transistordefecten en een pad naar mechanistisch begrip van hun vorming. Met dergelijke kennis zouden er meer mogelijkheden zijn om ze te beheersen en te verminderen om de prestaties en betrouwbaarheid van de transistor te verbeteren.