Dat grafeen het nieuwe materiaal is in de wereld van de toekomstige elektronicaproductie, is algemeen bekend. Met zijn hoge mobiliteit van de drager en een laag geluidsniveau, grafeen wordt gezien als een mogelijke kandidaat om uiteindelijk silicium in geïntegreerde schakelingen te vervangen. Het vinden van een manier om nieuwe materialen zoals grafeen volledig te karakteriseren, is van cruciaal belang voor het uiteindelijke doel van succesvolle engineering en productie van apparaten van de volgende generatie. Onderzoekers van het Physical Measurement Laboratory van NIST hebben ons een belangrijke stap dichter bij dit doel gebracht met de bepaling van de werkfunctie van grafeen en de banduitlijning van een grafeen-isolator-halfgeleiderstructuur door gebruik te maken van de gecombineerde optische technieken van interne foto-emissie (IPE). ) en spectroscopische ellipsometrie (SE).

Hoewel IPE en SE al heel lang bestaan, pas onlangs zijn wetenschappers begonnen met het combineren van de technieken voor gebruik bij de karakterisering van geïntegreerde schakelingen. IPE wordt gebruikt om de energie van elektronen te meten die worden uitgezonden door materialen om bindingsenergieën te bepalen. Eigenlijk, een licht wordt op een monster geschenen en een fotostroom die wordt gecreëerd door de uitgeworpen elektronen wordt gemeten. in ZO, breedband lichtbronnen schijnen op een materiaal, en optische eigenschappen worden bepaald uit de reflectiviteit. Beide technieken zijn echt ambachten. Alleen een ervaren vakman kan de metingen nauwkeurig uitvoeren.

“Wij zijn de enige groep in de VS die de technieken fulltime gebruikt, ” legt Nhan Nguyen uit, van de PML's Semiconductor and Dimensional Metrology Division. Nguyen, een wereldberoemde expert in zowel IPE als SE, brengt een schat aan ervaring naar de state-of-the-art faciliteiten van NIST. “Nhan is een van bediscussieerbaar, twee foto-emissiespecialisten wereldwijd die een enorme diepte en ervaring hebben in die meettechniek, ” zegt David Gundlach, Nguyen's projectleider. “Wat betreft ellipsometrie, er zijn relatief weinig ellipsometrische specialisten die het spectrale bereik hebben dat hij kan dekken met de meetapparatuur die hij bij NIST tot zijn beschikking heeft.”

Nguyen gebruikte oorspronkelijk de gecombineerde meettechnieken om met succes de energiebarrièrehoogten en bandstructuur van metaaloxide-halfgeleider (MOS) -apparaten te bepalen. Voortbouwend op die studie, zijn hoop was dat hij een grafeen-isolator-halfgeleider (GIS) -apparaat op een vergelijkbare niet-destructieve manier zou kunnen karakteriseren. De huidige methoden voor het karakteriseren van een dergelijke inrichting maken gebruik van destructieve technieken voor het doorsnijden en analyseren. Deze methoden vernietigen niet alleen het apparaat, maar mogelijk ook de elektronische eigenschappen die worden gemeten in gevaar brengen.

Banduitlijning is belangrijk in GIS-apparaten omdat de juiste bandoffsets nodig zijn om ongewenste lekstromen in apparaattoepassingen te voorkomen. Met andere woorden, als de lagen niet op een precieze manier zijn uitgelijnd, het apparaat zal zich anders gedragen dan verwacht, misschien zelfs helemaal niet. Deze informatie is van cruciaal belang voor de succesvolle engineering en reproduceerbare produceerbaarheid en betrouwbaarheid van dergelijke apparaten. Nog, tot nu, er was geen gedetailleerd onderzoek naar de banduitlijning van deze apparaten gemeld.

Nguyen en zijn team onderzochten een structuur die bestond uit een grafeenfilm die was gegroeid door chemische dampafzetting (CVD), een gedegenereerd gedoteerd p-type siliciumsubstraat, en een 10 nm dikke thermische Si02-laag. De grafeenfilm, een continue één-atoomlaag, beschikte over de nodige eigenschappen (d.w.z. extreem dun, robuust, continu, en semi-transparant) om een ​​uitstekende optische transmissie mogelijk te maken, waardoor elektrische metingen tot ver onder het oppervlak mogelijk zijn.

Met behulp van een combinatie van IPE (opstelling omvatte een 150 W breedband Xenon-lichtbron en een kwartmeter Czerny Turner-monochromator om het invallende licht af te stemmen met fotonenergie) en SE, Nguyen kon het hele plaatje van de banduitlijning van de structuur bekijken. IPE onthulde de offset tussen banden en hoe ze ten opzichte van elkaar waren uitgelijnd, maar slechts aan één kant van het apparaat. SE-metingen maakten de berekening van de bandgaps mogelijk, wat leidde tot de bepaling van de gehele bandstructuur. “Bij apparaten, ” legt Nguyen uit, “we willen band offsets die groot genoeg zijn zodat je geen ruis of lekkage hebt. Als ze te dichtbij zijn, de elektronen kunnen overspringen. Met IPE, je kunt echt dieper onder het oppervlak van het materiaal kijken zonder de eigenschappen van de interface te veranderen.”

Nguyen was ook in staat om de werkfunctie van de grafeenlaag te bepalen, die sterk kan variëren, afhankelijk van waar de laag op wordt geplaatst en andere omgevingsfactoren. Toekomstige studies zullen zich richten op de mogelijkheid om de energie-eigenschappen van de grafeenlaag reproduceerbaar te regelen op basis van de behoeften van het eindapparaat.

De potentiële impact van deze voltooide studie en gepubliceerde resultaten op de ontwikkeling van toekomstige apparaten is aanzienlijk. In plaats van een apparaat te ontwikkelen en destructief te meten wat daarna werd gebouwd om de elektrische eigenschappen te bepalen, apparaten kunnen vanaf het begin worden ontworpen met bekend elektrisch gedrag. "Nhan's techniek is uiterst waardevol bij het bevorderen van toekomstige elektronica in de fronten van halfgeleiderelektronica, geavanceerde productie, en nanoproductie, ’, besluit Gundlach.

Naast het bestuderen van de manipulatie van energieniveaus in een grafeenlaag, toekomstige studies zullen de unieke eigenschappen van grafeen gebruiken om andere materialen te bestuderen. Omdat grafeen in een zeer dunne en continue laag kan worden aangebracht, het zorgt voor een veel betere optische transmissie dan de eerder gebruikte semi-transparante metalen. Nguyen is van plan de grafeenlaag op andere lagen met onbekende eigenschappen te stapelen, het grafeen gebruiken als een sleutel tot het begrijpen van de onbekende lagen eronder. “Dit heeft ons toegang gegeven tot metingen die voorheen niet beschikbaar waren, ', stelt Nguyen. Dit is van cruciaal belang aangezien de industrie verder gaat dan CMOS-technologie. Nieuwe halfgeleidermaterialen die in meer gecompliceerde apparaatstructuren en architecturen worden gebruikt, moeten worden gekarakteriseerd. En nu hebben Nguyen en collega's een niet-destructieve manier aangetoond om het te doen.