Technique de détection avancée identifie les défauts de transistors avec une sensibilité sans précédent

Des chercheurs ont mis au point et testé une méthode hautement sensible de détection et de comptage des défauts dans les transistors — une question de préoccupation urgente pour l'industrie des semi-conducteurs alors qu'elle développe de nouveaux matériaux pour les dispositifs de prochaine génération. Ces défauts limitent les performances des transistors et des circuits et peuvent affecter la fiabilité des produits.

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

La performance des transistors dépend de manière critique de la fiabilité avec laquelle une quantité désignée de courant circulera. Les défauts dans le matériau du transistor, telles que des régions d'« impuretés » indésirables ou des liaisons chimiques brisées, interrompent et déstabilisent le flux. Ces défauts peuvent se manifester immédiatement ou au fil du temps pendant le fonctionnement du dispositif.

Au fil 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 à mesure que les dimensions des transistors deviennent presque inimaginablement petites et que les vitesses de commutation sont très élevées. Pour certains matériaux semi-conducteurs prometteurs en développement — comme le carbure de silicium (SiC) au lieu du silicium (Si) seul pour de nouveaux dispositifs à haute énergie et haute température — il n'y a pas eu de moyen simple et direct de caractériser les défauts en détail.

La nouvelle méthode fonctionne à la fois avec le Si traditionnel et le SiC, permettant aux chercheurs d'identifier non seulement le type de défaut, mais aussi leur nombre dans un espace donné avec une mesure en courant continu. 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 manque dans 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 retire un électron du courant. De multiples défauts causent des pertes de courant qui mènent à un dysfonctionnement. 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 fait généralement seulement 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 en vrac. 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 arrangeant les tensions de polarisation appliquées à la source, la grille et le drain dans une configuration particulière.

Le mécanisme exact par lequel le 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 de défauts plus qualitative. Le nouveau modèle permet au BAE d'être un outil pour mesurer quantitativement le nombre de défauts et de le faire avec seulement des courants et des tensions.

Le modèle, que les chercheurs ont testé dans un ensemble d'expériences de preuve de concept sur des transistors à semi-conducteur d'oxyde métallique, rend les mesures quantitatives possibles. La technique peut fournir un aperçu de la présence de défauts de transistors déstabilisants et un chemin vers la compréhension mécanistique de leur formation. Avec une telle connaissance, il y aurait une plus grande opportunité de les contrôler et de les réduire afin d'améliorer la performance et la fiabilité des transistors.