Une nouvelle technique d'étude des défauts dans les matériaux semi-conducteurs pourrait améliorer la vitesse, la puissance et les performances des dispositifs électroniques en révélant les limitations au niveau atomique des matériaux avancés.

Développé par une équipe de chercheurs dirigée par Penn State et dirigée par l'ancien étudiant diplômé de Penn State James Ashton, l'outil analytique utilise des champs magnétiques extrêmement petits et des fréquences bien inférieures à celles généralement utilisées dans de telles mesures pour détecter et mesurer les imperfections des nouveaux matériaux. , fournissant des informations structurelles sur les interactions magnétiques entre les électrons et les noyaux magnétiques proches d'une manière plus simple qu'auparavant.

L'approche a été publiée sous forme d'article de couverture dans Applied Physics Letters . Selon Patrick Lenahan, éminent professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique à Penn State et directeur de thèse de doctorat d'Ashton, l'outil permet aux chercheurs de faire un grand pas en avant vers la résolution de divers défauts dans les appareils de nouvelle génération.

Les chercheurs se sont concentrés sur les transistors à effet de champ semi-conducteurs à oxyde métallique (MOSFET), que l'on trouve dans presque tous les appareils dotés de circuits intégrés, des téléphones portables aux ordinateurs. Auparavant conçus avec du silicium et du dioxyde de silicium, les MOSFET peuvent désormais être fabriqués avec d'autres matériaux, notamment le carbure de silicium comme matériau semi-conducteur. Lenahan a souligné que le matériau relativement nouveau présente des avantages substantiels pour les températures élevées et les applications à haute puissance. Cependant, a-t-il expliqué, les MOSFET au carbure de silicium sont limités par des défauts à l'échelle atomique que les chercheurs n'ont pas été en mesure de comprendre pleinement.

"La présence d'un défaut subtil, comme un site d'atome manquant pour, disons, 5 000 atomes à la frontière entre le carbure de silicium et l'oxyde de grille MOSFET, suffira à ruiner n'importe quel appareil", a déclaré Lenahan. "Nous avions donc besoin d'un moyen d'examiner le subtil écart par rapport à la perfection, de comprendre ce qui limite les performances de ces appareils."

Pour détecter de telles déviations, les chercheurs utilisent la résonance magnétique - similaire à la technologie utilisée par les cliniciens pour visualiser les anomalies des tissus mous dans le corps humain - pour exciter les électrons dans les MOSFET SiC. Ces mesures peuvent donner des informations détaillées sur les imperfections du matériau, en particulier lorsque les électrons interagissent avec des imperfections à l'échelle atomique telles que des sites d'atomes manquants. Traditionnellement, cette technique nécessitait un champ magnétique élevé et avait une sensibilité d'environ 10 milliards de défauts, bien plus de défauts que ceux présents dans les petits dispositifs SiC. Récemment, cependant, une nouvelle itération de la technique, appelée résonance magnétique détectée électriquement, est apparue, pour laquelle la taille du champ n'est pas pertinente pour la sensibilité et un nombre beaucoup plus petit de défauts limitant l'appareil pourrait être directement détecté pendant le fonctionnement électrique, selon Lénahan.

"Le fait que vous puissiez faire fonctionner une résonance magnétique extrêmement sensible avec des champs magnétiques extrêmement petits est un domaine qui n'est fondamentalement pas du tout étudié", a déclaré Lenahan. "Des théoriciens ont écrit des articles demandant :'Supposons que vous puissiez faire une telle mesure, que pourriez-vous découvrir ?' Et il s'avère qu'il existe un moyen, c'est ce que nous avons démontré ici avec notre nouvel outil d'analyse."

Lenahan, Ashton et leur équipe ont appliqué la résonance magnétique détectée électriquement pour mesurer les effets du spin sur les interactions à l'échelle atomique capturées à une imperfection dans un appareil utilisant des champs magnétiques extraordinairement petits.

Le spin décrit une caractéristique fondamentale des particules telles que les électrons, les protons et les neutrons. Tous les électrons, y compris ceux capturés au niveau des imperfections des MOSFET, ont un spin, et les noyaux des atomes qui les entourent peuvent également avoir leur propre spin. La résonance magnétique détectée électriquement peut mesurer les "interactions hyperfines", qui sont les interactions magnétiques entre l'électron et les spins nucléaires. L'observation de ces interactions peut révéler des détails structurels et chimiques sur ces défauts.

"Les gens s'intéressent aux interactions hyperfines électron-nucléaire depuis plus de 60 ans, et cet outil offre une nouvelle façon d'examiner ces interactions dans de très petits échantillons avec une mesure électrique", a déclaré Lenahan. "Nous examinons des échantillons nanomètre par micron par micron - des échantillons qui sont des milliards de fois plus petits que ce que vous pourriez étudier avec des techniques de résonance plus conventionnelles - afin que nous puissions vraiment comprendre au niveau atomique ce qui limite les performances de cet appareil particulier. À partir de cette compréhension, nous pouvons suggérer comment les gens des laboratoires de recherche et développement industriels pourraient essayer d'améliorer le fonctionnement des appareils.

Selon Stephen Moxim, co-auteur de la publication et doctorant en sciences de l'ingénieur et en mécanique de Penn State, les résultats concernent également la physique du spin plus fondamentale.

"Lorsque les électrons tournent dans les centres de défauts" basculent "ou changent leur état de spin, dans une expérience de résonance magnétique, ils finissent par se détendre et revenir à leur état de spin d'origine", a-t-il déclaré. « Entre autres choses, les résultats ici montrent comment ce processus de relaxation est lié à l'environnement dans lequel les défauts existent. Plus précisément, ils nous donnent une idée de la façon dont les noyaux magnétiques situés près des électrons du défaut affectent le processus de relaxation.

Selon Moxim, cette approche, basée sur un outil de mesure de courant électrique direct relativement simple, pourrait potentiellement se traduire dans le domaine de l'informatique quantique.

"C'est toujours incroyable de voir l'intersection de la physique théorique et de l'ingénierie pratique", a déclaré Fedor Sharov, co-auteur et doctorant en sciences de l'ingénieur et mécanique de Penn State. "Les idées et la théorie d'il y a des décennies trouvent une maison parfaite dans une nouvelle technique que, dans un passé récent, les théoriciens n'auraient peut-être même pas envisagée." + Explorer plus loin

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