När man tillverkar integrerade kretsar och olika typer av kiselbaserade enheter, forskare måste positionera dopantnanostrukturer på specifika sätt med hög precision. Dock, att arrangera dessa strukturer på nanometerskala kan vara utmanande, eftersom deras ringa storlek gör dem svåra att observera och noggrant undersöka. Felaktig manipulering av dem kan ha skadliga effekter, vilket potentiellt kan äventyra en enhets övergripande funktion och säkerhet.

Med detta i åtanke, forskare vid Johannes Kepler University (JKU), Keysight Technologies Labs, University College London (UCL), och IBM Research har nyligen bestämt sig för att utveckla en nanoskala avbildningsteknik som kan användas för att observera dopant nanostrukturer i kiselbaserade enheter med hög precision. Metoden de utvecklade, presenteras i en tidning publicerad i Naturelektronik , är resultatet av flera års forskning, efter ett gemensamt Marie Curie- EU-projekt som startade 2016.

"På JKU och Keysight Technologies Labs arbetade jag med utvecklingen av nya karakteriseringstekniker i nanoskala som kan titta på elektriska egenskaper i nanoskala hos små detaljer under ett materials yta, "Georg Gramse, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Den stora frågan för oss var:hur små kan vi gå eller hur djupt ner i ytan kan vi titta och fortfarande se dopämnen eller andra ledande funktioner? Frågan från våra kollegor vid London Centre for Nanotechnology (LCN) och IBM som gick med i teamet lite senare var precis motsatsen:Var finns våra dopningsstrukturer? Är de där de borde vara, och är de aktiverade och leder?"

Forskarna vid JKU och Keysight Technologies Labs utvecklade metoder som kan skapa nanomönster av atomärt tunna n-typ (fosfor) och p-typ (bor) dopningsskikt i kisel, såväl som deras resulterande p-n-övergångar. Detta gjordes i nära samarbete med nanoteknikexperter vid UCL och IBM.

Än så länge, forskare har inte hittat en enda teknik som kan mäta 3D-positionen och de elektriska egenskaperna hos dopantnanostrukturer i kiselenheter samtidigt som de samlar in information om laddningsdynamiken hos bärare och fångade laddningar i deras omgivning. För att uppnå detta, Gramse och hans kollegor använde en teknik som kallas bredbandselektrostatisk kraftmikroskopi. Denna metod kan samla in bilder med en högre upplösning än de som samlas in med hjälp av standardbildtekniker och den är också oförstörande, vilket innebär att den inte skadar en apparat när mätningar samlas in.

"Vår teknik löser sig i sidled med 10 nm, även om en egenskap är begravd 15 nm under ytan, och detekterar kapacitetssignaturen för underjordiska laddningar vid frekvenser mellan 1kHz och 10GHz, " sa Gramse. "En av dess nackdelar, delas av andra nanoskalatekniker, är att för att ge denna höga upplösning behöver den en ren och relativt plan yta."

Gramse och hans kollegor var bland de första som utvecklade en teknik som framgångsrikt kan extrahera kvantitativ information om djupet och dopningsprofilen hos nanostrukturer i kiselenheter. Metoden de använde gjorde det också möjligt för dem att samla information om dynamiken hos bärare och fångade laddningar runt dessa strukturer. Denna information kan i slutändan hjälpa till att avgöra om det finns några fällor i silikonenheten, som kan hindra rörelsen av dopämnen inuti den.

"Jag ser många möjliga användningsområden för vår teknik, ", sade Gramse. "Vi kommer nu att fortsätta att undersöka funktionell avbildning av dopningsanordningar. Att titta på dynamiken i elektriska processer på nanoskala är också av stort intresse för elektrokemi och energimaterial, så detta kommer att bli ytterligare ett ämne att fokusera på i vårt framtida arbete."

© 2020 Science X Network