14:23 2022-05-24
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Noul instrument măsoară defectele la scară atomică, identifică limitările tranzistorului
_ Noul instrument măsoară atomul defecte de scară, identifică limitările tranzistorului
O nouă tehnică pentru studierea defectelor materialelor semiconductoare ar putea duce la îmbunătățirea vitezei, puterii și performanței dispozitivelor electronice prin dezvăluirea limitărilor la nivel atomic ale materialelor avansate.
Dezvoltat de o echipă de cercetători condusă de Penn State și condusă de fostul student absolvent al Penn State James Ashton, instrumentul analitic folosește câmpuri magnetice extrem de mici și frecvențe mult mai mici decât cele utilizate în mod obișnuit în astfel de măsurători pentru a detecta și măsura imperfecțiunile în materiale noi, care oferă informații structurale despre interacțiunile magnetice dintre electroni și nucleele magnetice din apropiere într-un mod mai simplu decât era posibil anterior.
Abordarea a fost publicată ca articol de acoperire în Applied Physics Letters. Potrivit lui Patrick Lenahan, profesor distins de științe ingineriei și mecanică la Penn State și consilierul tezei de doctorat al lui Ashton, instrumentul permite cercetătorilor să facă un pas mare spre rezolvarea unei varietăți de defecte în dispozitivele de generație următoare.
The Cercetătorii s-au concentrat pe tranzistoarele cu efect de câmp cu semiconductor de oxid de metal (MOSFET), care se găsesc în aproape fiecare dispozitiv cu circuite integrate, de la telefoane mobile la computere. Proiectate anterior cu siliciu și dioxid de siliciu, MOSFET-urile pot fi fabricate acum cu alte materiale, inclusiv cu carbură de siliciu ca material semiconductor. Lenahan a subliniat că materialul relativ nou are avantaje substanțiale pentru temperaturi ridicate și aplicații de mare putere. Cu toate acestea, a explicat el, MOSFET-urile cu carbură de siliciu sunt limitate de defecte la scară atomică pe care cercetătorii nu au reușit să le înțeleagă pe deplin.
„Prezența unui defect subtil, cum ar fi un sit atomic lipsă la fiecare, să zicem, 5.000. atomii de la granița dintre carbura de siliciu și oxidul de poartă MOSFET vor fi suficienți pentru a distruge orice dispozitiv”, a spus Lenahan. „Așadar, aveam nevoie de o modalitate de a privi abaterea subtilă de la perfecțiune, pentru a înțelege ce limitează performanța acestor dispozitive.”
Pentru a detecta astfel de abateri, cercetătorii folosesc rezonanța magnetică – similar cu clinicienii de tehnologie. utilizat pentru a vizualiza anomaliile țesuturilor moi din corpul uman - pentru a excita electronii în MOSFET-urile SiC. Aceste măsurători pot oferi informații detaliate despre imperfecțiunile materialului, în special acolo unde electronii interacționează cu imperfecțiunile la scară atomică, cum ar fi locurile de atom lipsă. În mod tradițional, această tehnică necesita un câmp magnetic ridicat și avea o sensibilitate de aproximativ 10 miliarde de defecte - mult mai multe defecte decât cele prezente în dispozitivele mici SiC. Cu toate acestea, recent, a apărut o iterație mai nouă a tehnicii, numită rezonanță magnetică detectată electric, pentru care dimensiunea câmpului este irelevantă pentru sensibilitate și o mult mai mică dintre defecte limitatoare ale dispozitivului ar putea fi detectate direct în timpul funcționării electrice, potrivit Lenahan.
„Faptul că poți face o rezonanță magnetică extrem de sensibilă să funcționeze cu câmpuri magnetice extrem de mici este un domeniu care practic nu este investigat deloc”, a spus Lenahan. „Teoreticienii au scris lucrări în care au întrebat: „Să presupunem că ați putea face o astfel de măsurare – ce ați putea afla?” Și se dovedește că există o cale, care este ceea ce am demonstrat aici cu noul nostru instrument analitic.”
Lenahan, Ashton și echipa lor au aplicat rezonanță magnetică detectată electric pentru a măsura efectele rotației asupra interacțiuni la scară atomică capturate la o imperfecțiune a unui dispozitiv folosind câmpuri magnetice extraordinar de mici.
Spinul descrie o caracteristică fundamentală a particulelor, cum ar fi electronii, protonii și neutronii. Toți electronii, inclusiv cei captați la imperfecțiunile MOSFET-urilor, au spin, iar nucleele atomilor din jurul lor pot avea, de asemenea, propriul spin. Rezonanța magnetică detectată electric poate măsura „interacțiunile hiperfine”, care sunt interacțiunile magnetice dintre electroni și spinii nucleari. Observarea acestor interacțiuni poate dezvălui detalii structurale și chimice despre aceste defecte.
„Oamenii au fost interesați de interacțiunile electron-nucleare hiperfine de peste 60 de ani, iar acest instrument oferă o nouă modalitate de a privi aceste interacțiuni în foarte mult timp. mostre mici cu o măsurătoare electrică”, a spus Lenahan. „Ne uităm la eșantioane nanometru cu micron cu micron – probe care sunt de miliarde de ori mai mici decât ceea ce ați putea investiga cu tehnici de rezonanță mai convenționale – astfel încât să putem înțelege cu adevărat la nivel atomic ce limitează performanța acest dispozitiv special. Din această înțelegere, putem sugera modul în care oamenii din laboratoarele de cercetare și dezvoltare industrială ar putea încerca să facă dispozitivele să funcționeze mai bine.”
Conform lui Stephen Moxim, co-autor al publicației și Penn Doctorand de stat în științe inginerie și mecanică, rezultatele se referă, de asemenea, la fizica spinului mai fundamentală.
„Atunci când spinurile electronilor din centrele de defect se „întorc” sau își schimbă starea de spin, într-un experiment de rezonanță magnetică, ei în cele din urmă relaxați-vă înapoi la starea lor inițială de rotație”, a spus el. „Printre altele, rezultatele de aici arată modul în care acest proces de relaxare este legat de mediul în care există defectele. Mai exact, ele ne oferă o idee despre modul în care nucleele magnetice care stau lângă electronii defectului afectează procesul de relaxare.”
Potrivit Moxim, această abordare, construită pe un instrument de măsurare a curentului electric continuu relativ simplu, s-ar putea traduce în domeniul calculului cuantic.
„Este întotdeauna incredibil când vezi intersecția dintre fizică teoretică și inginerie practică”, a spus Fedor Sharov, co-autor și doctorand la Penn State în știința ingineriei și mecanică. „Ideile și teoria de acum zeci de ani își găsesc locul perfect într-o nouă tehnică pe care, în trecutul recent, teoreticienii s-ar putea să nu o fi luat în considerare.”
Comentarii:
Adauga Comentariu