Método sensível para detectar defeitos no transistor

Os pesquisadores criaram e testaram um método altamente sensível de detecção e contagem de defeitos em transistores – uma questão de preocupação urgente para a indústria de semicondutores à medida que desenvolve novos materiais para dispositivos de próxima geração. Esses defeitos limitam o desempenho do transistor e do circuito e podem afetar a confiabilidade do produto.

Um transistor típico é, para a maioria dos usos, basicamente um interruptor. Quando está ligado, a corrente flui de um lado de um semicondutor para o outro; desligá-lo interrompe a corrente. Essas ações, respectivamente, criam os 1s e 0s binários da informação digital.

O desempenho do transistor depende criticamente de quão confiável uma quantidade designada de corrente fluirá. Defeitos no material do transistor, como regiões de “impureza” indesejadas ou ligações químicas quebradas, interrompem e desestabilizam o fluxo. Esses defeitos podem se manifestar imediatamente ou ao longo do tempo enquanto o dispositivo está em operação.

Ao longo de muitos anos, os cientistas encontraram inúmeras maneiras de classificar e minimizar esses efeitos. Mas os defeitos se tornam mais difíceis de identificar à medida que as dimensões do transistor se tornam quase inimaginavelmente pequenas e as velocidades de comutação muito altas. Para alguns materiais semicondutores promissores em desenvolvimento - como carbeto de silício (SiC) em vez de silício (Si) sozinho para novos dispositivos de alta energia e alta temperatura - não existe uma maneira simples e direta de caracterizar defeitos em detalhes.

O novo método funciona tanto com o Si tradicional quanto com o SiC, permitindo que os pesquisadores identifiquem não apenas o tipo de defeito, mas também o número deles em um determinado espaço com uma medição DC. A pesquisa se concentra nas interações entre os dois tipos de portadores de carga elétrica em um transistor:elétrons carregados negativamente e “buracos” carregados positivamente, que são espaços onde falta um elétron na estrutura atômica local.

Quando um transistor está funcionando corretamente, uma corrente de elétrons específica flui ao longo do caminho desejado. Se a corrente encontrar um defeito, os elétrons são aprisionados ou deslocados e podem se combinar com buracos para formar uma área eletricamente neutra em um processo conhecido como recombinação. Cada recombinação remove um elétron da corrente. Múltiplos defeitos causam perdas de corrente que levam ao mau funcionamento. O objetivo é determinar onde estão os defeitos, seus efeitos específicos e – idealmente – o número deles.

No novo trabalho, os pesquisadores se concentraram em uma região que normalmente tem apenas cerca de 1 bilionésimo de metro de espessura e um milionésimo de metro de comprimento:o limite, ou canal, entre a fina camada de óxido e o corpo semicondutor. Para se concentrar exclusivamente na atividade no canal, os pesquisadores usam uma técnica chamada efeito de amplificação bipolar (BAE), que é obtida organizando as tensões de polarização aplicadas à fonte, porta e dreno em uma configuração específica.

O mecanismo exato pelo qual a BAE opera não era conhecido até que a equipe desenvolveu seu modelo. Antes do modelo de BAE, o esquema era utilizado estritamente como recurso para aplicação de tensões e controle de correntes para medições de EDMR, o que é útil para uma identificação de defeitos mais qualitativa. O novo modelo permite que o BAE seja uma ferramenta para medir quantitativamente o número de defeitos e fazê-lo apenas com correntes e tensões.

O modelo, que os pesquisadores testaram em um conjunto de experimentos de prova de conceito em transistores semicondutores de óxido metálico, possibilita medições quantitativas. A técnica pode fornecer informações sobre a presença de defeitos desestabilizadores do transistor e um caminho para a compreensão mecanicista de sua formação. Com tal conhecimento, haveria maior oportunidade de controlá-los e reduzi-los a fim de melhorar o desempenho e a confiabilidade do transistor.