Att grafen är det heta nya materialet i världen av framtida elektroniktillverkning är välkänt. Med sin höga bärarmobilitet och låga ljud, grafen ses som en möjlig kandidat för att i slutändan ersätta kisel i integrerade kretsar. Att hitta ett sätt att helt karakterisera nya material som grafen är avgörande för det slutliga målet med framgångsrik konstruktion och tillverkning av nästa generations enheter. Forskare vid NIST:s Physical Measurement Laboratory har fört oss ett viktigt steg närmare detta mål med bestämningen av grafens arbetsfunktion och bandinriktningen av en grafen-isolator-halvledarstruktur genom att använda de kombinerade optiska teknikerna för intern fotoemission (IPE) ) och spektroskopisk ellipsometri (SE).

Medan IPE och SE har funnits länge, Först nyligen har forskare börjat kombinera teknikerna för användning i karakterisering av integrerade kretsar. IPE används för att mäta energin hos elektroner som avges från material för att bestämma bindningsenergier. Väsentligen, ett ljus lyser på ett prov och en fotoström som skapas av de utstötta elektronerna mäts. I SE, bredbandsljuskällor lyser på ett material, och optiska egenskaper bestäms av reflektiviteten. Båda teknikerna är verkligen hantverk. Endast en skicklig utövare kan utföra mätningarna exakt.

"Vi är den enda gruppen i USA som använder teknikerna på heltid, ” förklarar Nhan Nguyen, av PML:s halvledar- och dimensionsmätningsavdelning. Nguyen, en världskänd expert inom både IPE och SE, ger en mängd erfarenheter till de toppmoderna faciliteterna på NIST. "Nhan är en av det kan argumenteras att, två fotoemissionsspecialister över hela världen som har ett enormt djup och erfarenhet av den mättekniken, säger David Gundlach, Nguyens projektledare. "När det gäller ellipsometri, det finns relativt få ellipsometriska specialister som har det spektralområde som han kan täcka med de mätapparater som han har tillgängligt för honom på NIST.”

Nguyen använde ursprungligen de kombinerade mätteknikerna för att framgångsrikt bestämma energibarriärhöjder och bandstruktur för metalloxid-halvledare (MOS) -enheter. Bygger på den studien, hans förhoppning var att han skulle kunna karakterisera en grafen-isolator-halvledare (GIS) enhet på ett liknande icke-förstörande sätt. Nuvarande metoder för att karakterisera en sådan anordning använder destruktiva tekniker för tvärsnitt och analys. Dessa metoder förstör inte bara enheten, men även potentiellt äventyra själva de elektroniska egenskaperna som mäts.

Bandinriktning är viktig i GIS-enheter eftersom korrekta bandförskjutningar är nödvändiga för att förhindra oönskade läckströmmar i enhetsapplikationer. Med andra ord, om lagren inte är uppradade på ett exakt sätt, enheten kommer att bete sig annorlunda än förväntat, kanske till och med misslyckas helt. Denna information är avgörande för framgångsrik ingenjörskonst och reproducerbar tillverkning och tillförlitlighet hos sådana enheter. Än, tills nu, ingen detaljerad studie om bandinriktningen av dessa enheter hade rapporterats.

Nguyen och hans team undersökte en struktur som bestod av en grafenfilm odlad genom kemisk ångdeposition (CVD), ett degenererat dopat kiselsubstrat av p-typ, och ett 10 nm tjockt termiskt Si02-skikt. Grafenfilmen, ett kontinuerligt skikt med en atom, hade de nödvändiga egenskaperna (dvs. extremt tunn, robust, kontinuerlig, och semi-transparent) för att möjliggöra utmärkt optisk transmission som tillåter elektriska mätningar långt under ytan.

Med en kombination av IPE (inställningen inkluderade en 150 W bredbands Xenon-ljuskälla och en kvartsmeters Czerny Turner monokromator för att ställa in det infallande ljuset med fotonenergi) och SE, Nguyen kunde se hela bilden av strukturens bandinriktning. IPE avslöjade förskjutningen mellan band och hur de anpassade sig i förhållande till varandra, men bara på ena sidan av enheten. SE-mätningar möjliggjorde beräkning av bandgap, vilket ledde till bestämningen av hela bandstrukturen. "I enheter, ” förklarar Nguyen, "Vi vill ha bandförskjutningar som är tillräckligt stora så att du inte har brus eller läckage. Om de är för nära, elektronerna kan hoppa över. Med IPE, du kan verkligen titta djupare under materialets yta utan att ändra gränssnittets egenskaper. ”

Nguyen kunde också bestämma arbetsfunktionen för grafenlagret, vilket kan variera mycket beroende på vad lagret är placerat på och andra miljöfaktorer. Framtida studier kommer att fokusera på möjligheten att reproducerbart styra grafenskiktets energiegenskaper baserat på slutenhetens behov.

Den möjliga inverkan av denna slutförda studie och publicerade resultat på utvecklingen av framtida enheter är stor. Istället för att utveckla en enhet och destruktivt mäta vad som byggdes efteråt för att bestämma dess elektriska egenskaper, enheter kan konstrueras med känt elektriskt beteende från början. "Nhans teknik är extremt värdefull för att utveckla framtida elektronik inom halvledarelektronikens fronter, avancerad tillverkning, och nanotillverkning, ” avslutar Gundlach.

Förutom att studera manipulationen av energinivåer i ett grafenlager, framtida studier kommer att använda grafens unika egenskaper för att studera andra material. Eftersom grafen kan appliceras i ett mycket tunt och kontinuerligt lager, det möjliggör mycket bättre optisk överföring än de halvtransparenta metallerna som tidigare använts. Nguyen har för avsikt att stapla grafenlagret på andra lager med okända egenskaper, använda grafen som en nyckel för att förstå de okända lagren under. "Detta har gett oss tillgång till mätningar som tidigare var otillgängliga, ” konstaterar Nguyen. Detta är avgörande eftersom branschen går längre än CMOS -teknik. Nya halvledarmaterial som används i mer komplicerade enhetsstrukturer och arkitekturer behöver karakteriseras. Och nu har Nguyen och kollegor visat ett oförstörande sätt att göra det.