Teknikvetenskap och mekanik doktorand Fedor Sharov justerar inställningar i en mycket lågfrekvent EDMR-spektrometer. Kredit:Kelby Hochreither/Penn State
En ny teknik för att studera defekter i halvledarmaterial kan leda till förbättrad hastighet, kraft och prestanda hos elektroniska enheter genom att avslöja begränsningarna på atomnivå hos avancerade material.
Utvecklat av ett team av forskare som leds av Penn State och ledd av den tidigare doktoranden James Ashton i Penn State, använder det analytiska verktyget extremt små magnetiska fält och frekvenser som är mycket mindre än de som vanligtvis används i sådana mätningar för att upptäcka och mäta brister i nya material , tillhandahållande av strukturell information om de magnetiska interaktionerna mellan elektroner och närliggande magnetiska kärnor på ett enklare sätt än tidigare möjligt.
Tillvägagångssättet publicerades som en omslagsartikel i Applied Physics Letters . Enligt Patrick Lenahan, framstående professor i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State och Ashtons doktorsavhandlingsrådgivare, tillåter verktyget forskare att ta ett stort steg mot att lösa en mängd olika fel i nästa generations enheter.
Forskarna fokuserade på metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer (MOSFETs), som finns i nästan alla enheter med integrerade kretsar, från mobiltelefoner till datorer. Tidigare designade med kisel och kiseldioxid kan MOSFETs nu tillverkas med andra material, inklusive kiselkarbid som halvledande material. Lenahan påpekade att det relativt nya materialet har betydande fördelar för höga temperaturer och högeffektapplikationer. Men, förklarade han, begränsas MOSFETs av kiselkarbid av atomskaliga defekter som forskare inte helt har kunnat förstå.
"Närvaron av en subtil defekt, som en saknad atomplats per varje, säg, 5 000 atomer vid gränsen mellan kiselkarbiden och MOSFET-gateoxiden, kommer att räcka för att förstöra vilken enhet som helst," sa Lenahan. "Så vi behövde ett sätt att se på den subtila avvikelsen från perfektion, för att förstå vad som begränsar dessa enheters prestanda."
För att upptäcka sådana avvikelser använder forskare magnetisk resonans - liknande den teknik som kliniker använder för att visualisera mjukvävnadsavvikelser i människokroppen - för att excitera elektroner i SiC MOSFETs. Dessa mätningar kan ge detaljerad information om materialets ofullkomligheter, särskilt när elektronerna interagerar med atomskaliga imperfektioner, såsom saknade atomställen. Traditionellt krävde denna teknik ett högt magnetfält och hade en känslighet på cirka 10 miljarder defekter - mycket fler defekter än de som finns i de små SiC-enheterna. Nyligen har dock en nyare iteration av tekniken, kallad elektriskt detekterad magnetisk resonans, dykt upp, för vilken storleken på fältet är irrelevant för känsligheten och en mycket mindre av enhetsbegränsande defekter skulle kunna detekteras direkt under elektrisk drift, enl. Lenahan.
"Det faktum att du kan få extremt känslig magnetisk resonans att fungera med extremt små magnetfält är ett område som i princip inte undersöks alls," sa Lenahan. "Teoretiker har skrivit uppsatser och frågat:'Anta att du kunde göra en sådan mätning - vad kan du ta reda på?' Och det visar sig att det finns ett sätt, vilket är vad vi har visat här med vårt nya analytiska verktyg."
Verket presenterades som omslaget till Applied Physics Letters av numret där det förekom. Kredit:Kelby Hochreither/Penn State
Lenahan, Ashton och deras team tillämpade elektriskt detekterad magnetisk resonans för att mäta effekterna av spinninteraktioner på atomär skala som fångas vid en ofullkomlighet i en enhet med hjälp av utomordentligt små magnetfält.
Spin beskriver en grundläggande egenskap hos partiklar som elektroner, protoner och neutroner. Alla elektroner, inklusive de som fångas vid ofullkomligheterna i MOSFETs, har spin, och kärnorna av atomer som omger dem kan också ha sitt eget spin. Elektriskt detekterad magnetisk resonans kan mäta de "hyperfina interaktionerna", som är de magnetiska interaktionerna mellan elektron- och kärnspinn. Att observera dessa interaktioner kan avslöja strukturella och kemiska detaljer om dessa defekter.
"Människor har varit intresserade av elektron-nukleära hyperfina interaktioner i över 60 år, och det här verktyget ger ett nytt sätt att se på dessa interaktioner i mycket små prover med en elektrisk mätning," sa Lenahan. "Vi tittar på nanometer för mikron-för-mikron-prover - prover som är miljarder gånger mindre än vad man skulle kunna undersöka med mer konventionella resonanstekniker - så att vi verkligen kan förstå på atomär nivå vad det är som begränsar prestandan hos den här specifika enheten. Utifrån den förståelsen kan vi föreslå hur människor i industriella forsknings- och utvecklingslabb kan försöka få enheterna att fungera bättre."
Enligt Stephen Moxim, en medförfattare på publikationen och doktorand i Penn State ingenjörsvetenskap och mekanik, relaterar resultaten också till mer fundamental spinfysik.
"När elektronsnurr inom defektcentra "vänder" eller ändrar deras spinntillstånd, i ett magnetiskt resonansexperiment, slappnar de så småningom tillbaka till sitt ursprungliga spinntillstånd," sa han. "Resultaten här visar bland annat hur denna avslappningsprocess är relaterad till miljön där defekterna finns. Specifikt ger de oss en uppfattning om hur de magnetiska kärnorna som sitter nära de defekta elektronerna påverkar avslappningsprocessen."
Enligt Moxim skulle detta tillvägagångssätt, byggt på ett relativt enkelt verktyg för mätning av likström, potentiellt kunna översättas till området kvantberäkning.
"Det är alltid otroligt när man ser skärningspunkten mellan teoretisk fysik och praktisk ingenjörskonst", säger Fedor Sharov, medförfattare och doktorand i Penn State ingenjörsvetenskap och mekanik. "Idéer och teorier från decennier sedan hittar ett perfekt hem i en ny teknik som teoretiker under det senaste förflutna kanske inte ens har övervägt." + Utforska vidare
