Méthode sensible pour détecter les défauts de transistor

Les chercheurs ont conçu et testé une méthode très sensible de détection et de comptage des défauts dans les transistors - un sujet de préoccupation urgent pour l'industrie des semi-conducteurs alors qu'elle développe de nouveaux matériaux pour les dispositifs de nouvelle génération. Ces défauts limitent les performances des transistors et des circuits et peuvent affecter la fiabilité du produit.

Un transistor typique est, pour la plupart des utilisations, essentiellement un interrupteur. Lorsqu'il est allumé, le courant circule d'un côté d'un semi-conducteur à l'autre; l'éteindre arrête le courant. Ces actions créent respectivement les 1 et les 0 binaires des informations numériques.

Les performances du transistor dépendent de manière critique de la fiabilité avec laquelle une quantité de courant désignée circulera. Des défauts dans le matériau du transistor, tels que des régions «d'impuretés» indésirables ou des liaisons chimiques rompues, interrompent et déstabilisent le flux. Ces défauts peuvent se manifester immédiatement ou au fil du temps pendant le fonctionnement de l'appareil.

Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont trouvé de nombreuses façons de classer et de minimiser ces effets. Mais les défauts deviennent plus difficiles à identifier car les dimensions des transistors deviennent incroyablement petites et les vitesses de commutation très élevées. Pour certains matériaux semi-conducteurs prometteurs en cours de développement, tels que le carbure de silicium (SiC) au lieu du silicium (Si) seul pour les nouveaux dispositifs à haute énergie et haute température, il n'existe aucun moyen simple et direct de caractériser les défauts en détail.

La nouvelle méthode fonctionne à la fois avec le Si et le SiC traditionnels, permettant aux chercheurs d'identifier non seulement le type de défaut, mais également leur nombre dans un espace donné avec une mesure DC. La recherche se concentre sur les interactions entre les deux types de porteurs de charge électrique dans un transistor :les électrons chargés négativement et les "trous" chargés positivement, qui sont des espaces où un électron est absent de la structure atomique locale.

Lorsqu'un transistor fonctionne correctement, un courant d'électrons spécifique circule le long du chemin souhaité. Si le courant rencontre un défaut, les électrons sont piégés ou déplacés et peuvent alors se combiner avec des trous pour former une zone électriquement neutre dans un processus connu sous le nom de recombinaison. Chaque recombinaison supprime un électron du courant. Les défauts multiples provoquent des pertes de courant qui conduisent à des dysfonctionnements. L'objectif est de déterminer où se trouvent les défauts, leurs effets spécifiques et, idéalement, leur nombre.

Dans le nouveau travail, les chercheurs se sont concentrés sur une région qui n'a généralement qu'environ 1 milliardième de mètre d'épaisseur et un millionième de mètre de long :la frontière, ou canal, entre la fine couche d'oxyde et le corps semi-conducteur massif. Pour se concentrer exclusivement sur l'activité dans le canal, les chercheurs utilisent une technique appelée effet d'amplification bipolaire (BAE), qui est obtenue en organisant les tensions de polarisation appliquées à la source, à la grille et au drain dans une configuration particulière.

Le mécanisme exact par lequel BAE fonctionne n'était pas connu jusqu'à ce que l'équipe développe son modèle. Avant le modèle de BAE, le schéma était utilisé strictement comme une ressource pour appliquer des tensions et contrôler les courants pour les mesures EDMR, ce qui est utile pour une identification plus qualitative des défauts. Le nouveau modèle permet à BAE en tant qu'outil de mesurer quantitativement le nombre de défauts et de le faire avec uniquement des courants et des tensions.

Le modèle, que les chercheurs ont testé dans une série d'expériences de preuve de concept sur des transistors semi-conducteurs à oxyde métallique, permet des mesures quantitatives. La technique peut fournir un aperçu de la présence de défauts de transistor déstabilisants et un chemin vers la compréhension mécaniste de leur formation. Avec de telles connaissances, il y aurait plus de possibilités de les contrôler et de les réduire afin d'améliorer les performances et la fiabilité des transistors.