Método sensible para detectar defectos de transistores

Los investigadores diseñaron y probaron un método altamente sensible para detectar y contar defectos en transistores, un tema de preocupación urgente para la industria de semiconductores a medida que desarrolla nuevos materiales para dispositivos de próxima generación. Estos defectos limitan el rendimiento del transistor y del circuito y pueden afectar la confiabilidad del producto.

Un transistor típico es, para la mayoría de los usos, básicamente un interruptor. Cuando está encendido, la corriente fluye de un lado del semiconductor al otro; apagarlo detiene la corriente. Esas acciones crean respectivamente los 1 y 0 binarios de la información digital.

El rendimiento del transistor depende críticamente de la confiabilidad con la que fluirá una cantidad designada de corriente. Los defectos en el material del transistor, como regiones de "impurezas" no deseadas o enlaces químicos rotos, interrumpen y desestabilizan el flujo. Estos defectos pueden manifestarse inmediatamente o con el tiempo mientras el dispositivo está funcionando.

Durante muchos años, los científicos han encontrado numerosas formas de clasificar y minimizar esos efectos. Pero los defectos se vuelven más difíciles de identificar a medida que las dimensiones del transistor se vuelven casi inimaginablemente pequeñas y las velocidades de conmutación son muy altas. Para algunos materiales semiconductores prometedores en desarrollo, como el carburo de silicio (SiC) en lugar del silicio (Si) solo para dispositivos novedosos de alta energía y alta temperatura, no ha habido una forma simple y directa de caracterizar los defectos en detalle.

El nuevo método funciona con Si y SiC tradicionales, lo que permite a los investigadores identificar no solo el tipo de defecto, sino también el número de ellos en un espacio determinado con una medición de CC. La investigación se centra en las interacciones entre los dos tipos de portadores de carga eléctrica en un transistor:electrones cargados negativamente y "agujeros" cargados positivamente, que son espacios donde falta un electrón en la estructura atómica local.

Cuando un transistor funciona correctamente, una corriente de electrones específica fluye a lo largo del camino deseado. Si la corriente encuentra un defecto, los electrones quedan atrapados o desplazados y luego pueden combinarse con huecos para formar un área eléctricamente neutra en un proceso conocido como recombinación. Cada recombinación elimina un electrón de la corriente. Múltiples defectos provocan pérdidas de corriente que conducen al mal funcionamiento. El objetivo es determinar dónde están los defectos, sus efectos específicos e, idealmente, el número de ellos.

En el nuevo trabajo, los investigadores se concentraron en una región que normalmente tiene solo alrededor de 1 billonésima de metro de espesor y una millonésima de metro de largo:el límite, o canal, entre la capa delgada de óxido y el cuerpo semiconductor a granel. Para centrarse exclusivamente en la actividad en el canal, los investigadores utilizan una técnica llamada efecto de amplificación bipolar (BAE), que se logra organizando los voltajes de polarización aplicados a la fuente, la compuerta y el drenaje en una configuración particular.

El mecanismo exacto por el que opera BAE no se conocía hasta que el equipo desarrolló su modelo. Antes del modelo de BAE, el esquema se usaba estrictamente como un recurso para aplicar voltajes y controlar corrientes para las mediciones de EDMR, lo cual es útil para una identificación de defectos más cualitativa. El nuevo modelo permite que BAE sea una herramienta para medir cuantitativamente la cantidad de defectos y hacerlo solo con corrientes y voltajes.

El modelo, que los investigadores probaron en un conjunto de experimentos de prueba de concepto en transistores semiconductores de óxido de metal, hace posibles las mediciones cuantitativas. La técnica puede proporcionar información sobre la presencia de defectos de transistores desestabilizadores y un camino hacia la comprensión mecánica de su formación. Con tal conocimiento, habría una mayor oportunidad de controlarlos y reducirlos para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del transistor.