Een nieuwe techniek voor het bestuderen van defecten in halfgeleidermaterialen zou kunnen leiden tot verbeterde snelheid, kracht en prestaties van elektronische apparaten door de atomaire beperkingen van geavanceerde materialen aan het licht te brengen.

Ontwikkeld door een team van onderzoekers onder leiding van Penn State en geleid door voormalig Penn State-afgestudeerde student James Ashton, maakt de analytische tool gebruik van extreem kleine magnetische velden en frequenties die veel kleiner zijn dan die welke doorgaans bij dergelijke metingen worden gebruikt om onvolkomenheden in nieuwe materialen te detecteren en te meten , het verstrekken van structurele informatie over de magnetische interacties tussen elektronen en nabijgelegen magnetische kernen op een eenvoudigere manier dan voorheen mogelijk was.

De aanpak werd gepubliceerd als een omslagartikel in Applied Physics Letters . Volgens Patrick Lenahan, vooraanstaand hoogleraar technische wetenschappen en mechanica aan Penn State en Ashton's doctoraatsthesisadviseur, stelt de tool onderzoekers in staat een grote stap te zetten in de richting van het oplossen van een verscheidenheid aan fouten in apparaten van de volgende generatie.

De onderzoekers richtten zich op metaaloxide halfgeleider veldeffecttransistoren (MOSFET's), die worden aangetroffen in bijna elk apparaat met geïntegreerde schakelingen, van mobiele telefoons tot computers. Voorheen ontworpen met silicium en siliciumdioxide, kunnen MOSFET's nu worden vervaardigd met andere materialen, waaronder siliciumcarbide als halfgeleidend materiaal. Lenahan wees erop dat het relatief nieuwe materiaal substantiële voordelen heeft voor toepassingen bij hoge temperaturen en hoge vermogens. Hij legde echter uit dat siliciumcarbide-MOSFET's worden beperkt door atomaire schaaldefecten die onderzoekers niet volledig hebben kunnen begrijpen.

"De aanwezigheid van één subtiel defect, zoals een ontbrekende atoomlocatie per elke, zeg, 5000 atomen op de grens tussen het siliciumcarbide en het MOSFET-poortoxide, zal voldoende zijn om elk apparaat te ruïneren," zei Lenahan. "Dus we hadden een manier nodig om naar de subtiele afwijking van perfectie te kijken, om te begrijpen wat de prestaties van deze apparaten beperkt."

Om dergelijke afwijkingen te detecteren, gebruiken onderzoekers magnetische resonantie - vergelijkbaar met de technologie die clinici gebruiken om afwijkingen in zacht weefsel in het menselijk lichaam te visualiseren - om elektronen in SiC MOSFET's te exciteren. Deze metingen kunnen gedetailleerde informatie geven over de onvolkomenheden van het materiaal, met name waar de elektronen interageren met onvolkomenheden op atomaire schaal, zoals ontbrekende atoomplaatsen. Traditioneel vereiste deze techniek een hoog magnetisch veld en had een gevoeligheid van ongeveer 10 miljard defecten - veel meer defecten dan die aanwezig zijn in de kleine SiC-apparaten. Onlangs is echter een nieuwere iteratie van de techniek verschenen, elektrisch gedetecteerde magnetische resonantie genaamd, waarvoor de grootte van het veld niet relevant is voor de gevoeligheid en een veel kleinere apparaatbeperkende defecten direct kunnen worden gedetecteerd tijdens elektrische werking, volgens Lenahan.

"Het feit dat je extreem gevoelige magnetische resonantie kunt laten werken met extreem kleine magnetische velden, is een gebied dat eigenlijk helemaal niet wordt onderzocht", zei Lenahan. "Theoretici hebben artikelen geschreven met de vraag:'Stel dat je zo'n meting zou kunnen doen - wat zou je te weten kunnen komen?' En het blijkt dat er een manier is, wat we hier hebben aangetoond met onze nieuwe analytische tool."

Lenahan, Ashton en hun team pasten elektrisch gedetecteerde magnetische resonantie toe om de effecten van spin op interacties op atomaire schaal te meten die zijn vastgelegd op een imperfectie in een apparaat met behulp van buitengewoon kleine magnetische velden.

Spin beschrijft een fundamentele eigenschap van deeltjes zoals elektronen, protonen en neutronen. Alle elektronen, inclusief die gevangen bij de imperfecties in MOSFET's, hebben spin, en de kernen van atomen eromheen kunnen ook hun eigen spin hebben. Elektrisch gedetecteerde magnetische resonantie kan de "hyperfijne interacties" meten, dit zijn de magnetische interacties tussen het elektron en de kernspins. Het observeren van deze interacties kan structurele en chemische details over deze defecten onthullen.

"Mensen zijn al meer dan 60 jaar geïnteresseerd in elektron-nucleaire hyperfijn-interacties, en deze tool biedt een nieuwe manier om deze interacties in zeer kleine monsters te bekijken met een elektrische meting," zei Lenahan. "We kijken naar nanometer-per-micron-monsters - monsters die miljarden keren kleiner zijn dan wat je zou kunnen onderzoeken met meer conventionele resonantietechnieken - zodat we op atomair niveau echt kunnen begrijpen wat het is dat de prestaties van Dit specifieke apparaat. Vanuit dat inzicht kunnen we voorstellen hoe mensen in industriële onderzoeks- en ontwikkelingslaboratoria zouden kunnen proberen de apparaten beter te laten werken."

Volgens Stephen Moxim, co-auteur van de publicatie en promovendus in de ingenieurswetenschappen en mechanica van Penn State, hebben de resultaten ook betrekking op meer fundamentele spinfysica.

"Wanneer elektronspins in defecte centra 'omkeren' of hun spintoestand veranderen, in een magnetisch resonantie-experiment, ontspannen ze uiteindelijk terug naar hun oorspronkelijke spintoestand," zei hij. "De resultaten hier laten onder meer zien hoe dit relaxatieproces verband houdt met de omgeving waarin de defecten voorkomen. Ze geven ons met name een idee van hoe de magnetische kernen die in de buurt van de defecte elektronen zitten, het relaxatieproces beïnvloeden."

Volgens Moxim zou deze benadering, gebaseerd op een relatief eenvoudig meetinstrument voor gelijkstroom, zich mogelijk kunnen vertalen naar het gebied van kwantumcomputers.

"Het is altijd ongelooflijk als je de kruising ziet van theoretische natuurkunde en praktische techniek", zegt Fedor Sharov, co-auteur en doctoraalstudent in de ingenieurswetenschappen en mechanica van Penn State. "Ideeën en theorie van tientallen jaren geleden vinden een perfect thuis in een nieuwe techniek die theoretici in het recente verleden misschien niet eens hebben overwogen." + Verder verkennen

Stromen op nanoschaal verbeteren het begrip van kwantumverschijnselen