Geavanceerde detectietechniek localiseert transistor defecten met ongekende gevoeligheid

Onderzoekers hebben een zeer gevoelige methode bedacht en getest voor het detecteren en tellen van defecten in transistors — een kwestie van dringende zorg voor de halfgeleiderindustrie naarmate het nieuwe materialen ontwikkelt voor next-generation apparaten. Deze defecten beperken transistor- en circuitprestaties en kunnen productbetrouwbaarheid beïnvloeden.

Een typische transistor is, voor de meeste toepassingen, basisweg een schakelaar. Wanneer hij aanstaat, stroomt stroom van de ene kant van een halfgeleider naar de andere; het uitschakelen stopt de stroom. Die acties creëren respectievelijk de binaire 1en en 0en van digitale informatie.

Transistorprestaties hangen kritisch af van hoe betrouwbaar een aangewezen hoeveelheid stroom zal stromen. Defecten in het transistormateriaal, zoals ongewenste "impure" regio's of gebroken chemische bindingen, onderbreken en destabiliseren de stroom. Deze defecten kunnen zich direct of over tijd manifesteren terwijl het apparaat opereert.

Over veel jaren hebben wetenschappers tal van manieren gevonden om die effecten te classificeren en minimaliseren. Maar defecten worden lastiger te identificeren naarmate transistordimensies bijna onvoorstelbaar klein worden en schakelsnelheden erg hoog. Voor enkele veelbelovende halfgeleidermaterialen in ontwikkeling — zoals siliciumcarbide (SiC) in plaats van alleen silicium (Si) voor nieuwe hoge-energie, hoge-temperatuur apparaten — is er geen eenvoudige en directe manier geweest om defecten in detail te karakteriseren.

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

Wanneer een transistor correct functioneert, stroomt een specifieke elektronenstroom langs het gewenste pad. Als de stroom een defect tegenkomt, worden elektronen vastgehouden of verplaatst en kunnen ze zich dan combineren met gaten om een elektrisch neutraal gebied te vormen in een proces bekend als recombinatie. Elke recombinatie verwijdert een elektron uit de stroom. Meerdere defecten veroorzaken stroomverliezen die leiden tot malfunction. Het doel is te bepalen waar de defecten zijn, hun specifieke effecten, en — ideaal — het aantal ervan.

In het nieuwe werk concentreerden de onderzoekers zich op één regio die typisch slechts ongeveer 1 miljardste van een meter dik is en een miljoenste van een meter lang: de grens, of kanaal, tussen de dunne oxidelaag en de bulk halfgeleider body. Om exclusief te focussen op activiteit in het kanaal, gebruiken onderzoekers een techniek genaamd bipolaire amplificatie effect (BAE), wat bereikt wordt door de bias spanningen toegepast op de source, gate, en drain in een particuliere configuratie te rangschikken.

Het exacte mechanisme waarmee BAE opereert was niet bekend tot het team zijn model ontwikkelde. Voor het model van BAE werd het schema strikt gebruikt als een bron voor het aanleggen van spanningen en het controleren van stromen voor EDMR metingen, wat nuttig is voor meer kwalitatieve defectidentificatie. Het nieuwe model maakt BAE mogelijk als een tool om kwantitatief het aantal defecten te meten en dat met alleen stromen en spanningen te doen.

Het model, dat de onderzoekers testten in een set proof-of-concept experimenten op metal oxide semiconductor transistors, maakt kwantitatieve metingen mogelijk. De techniek kan inzicht geven in de aanwezigheid van destabiliserende transistordefecten en een pad naar mechanistisch begrip van hun vorming. Met zulke kennis zou er meer kans zijn om ze te controleren en te reduceren om transistorprestaties en betrouwbaarheid te verbeteren.