Que le graphène est le nouveau matériau chaud dans le monde de la future fabrication électronique est bien connu. Avec sa grande mobilité des porteurs et son faible bruit, le graphène est considéré comme un candidat possible pour remplacer à terme le silicium dans les circuits intégrés. Trouver un moyen de caractériser pleinement de nouveaux matériaux tels que le graphène est essentiel pour atteindre l'objectif ultime d'une ingénierie et d'une fabrication réussies d'appareils de nouvelle génération. Les chercheurs du laboratoire de mesures physiques du NIST nous ont rapprochés d'un pas important vers cet objectif avec la détermination de la fonction de travail du graphène et l'alignement des bandes d'une structure graphène-isolant-semiconducteur en utilisant les techniques optiques combinées de photoémission interne (IPE ) et ellipsométrie spectroscopique (SE).

Alors que IPE et SE existent depuis longtemps, ce n'est que récemment que les scientifiques ont commencé à combiner les techniques pour une utilisation dans la caractérisation des circuits intégrés. L'IPE est utilisé pour mesurer l'énergie des électrons émis par les matériaux afin de déterminer les énergies de liaison. Essentiellement, une lumière est projetée sur un échantillon et un photocourant créé par les électrons éjectés est mesuré. En SE, des sources lumineuses à large bande sont projetées sur un matériau, et les propriétés optiques sont déterminées à partir de la réflectivité. Les deux techniques sont vraiment artisanales. Seul un praticien qualifié peut effectuer les mesures avec précision.

« Nous sommes le seul groupe aux États-Unis à utiliser les techniques à plein temps, », explique Nhan Nguyen, de la division Semi-conducteurs et métrologie dimensionnelle de la PML. Nguyen, un expert mondialement reconnu en IPE et SE, apporte une richesse d'expérience aux installations de pointe du NIST. "Nhan est l'un des, discutablement, deux spécialistes de la photoémission dans le monde entier qui ont une profondeur et une expérience considérables dans cette technique de mesure, " déclare David Gundlach, Chef de projet de Nguyen. « En ce qui concerne l'ellipsométrie, il y a relativement peu de spécialistes de l'ellipsométrie qui ont la gamme spectrale qu'il peut couvrir avec les appareils de mesure dont il dispose au NIST.

Nguyen a utilisé à l'origine les techniques de mesure combinées pour déterminer avec succès les hauteurs de barrière énergétique et la structure de bande des dispositifs métal-oxyde-semiconducteur (MOS). En s'appuyant sur cette étude, son espoir était de pouvoir caractériser un dispositif graphène-isolant-semiconducteur (SIG) d'une manière similaire non destructive. Les méthodes actuelles de caractérisation d'un tel dispositif emploient des techniques destructives de coupe transversale et d'analyse. Ces méthodes détruisent non seulement l'appareil, mais aussi potentiellement compromettre les propriétés électroniques qui sont mesurées.

L'alignement des bandes est important dans les appareils SIG car les décalages de bandes corrects sont nécessaires pour éviter les courants de fuite indésirables dans les applications des appareils. En d'autres termes, si les couches ne sont pas alignées de manière précise, l'appareil se comportera différemment que prévu, peut-être même échouer complètement. Ces informations sont essentielles à la réussite de l'ingénierie, à la fabrication et à la fiabilité reproductibles de ces dispositifs. Encore, jusqu'à maintenant, aucune étude détaillée sur l'alignement des bandes de ces dispositifs n'avait été rapportée.

Nguyen et son équipe ont étudié une structure constituée d'un film de graphène développé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), un substrat de silicium de type p dégénéré dopé, et une couche de SiO2 thermique de 10 nm d'épaisseur. Le film au graphène, une couche continue à un atome, possédait les propriétés nécessaires (c'est-à-dire extrêmement mince, robuste, continu, et semi-transparent) pour permettre une excellente transmission optique permettant des mesures électriques bien sous la surface.

En utilisant une combinaison d'IPE (la configuration comprenait une source lumineuse au xénon à large bande de 150 W et un monochromateur Czerny Turner d'un quart de mètre pour régler la lumière incidente avec l'énergie photonique) et SE, Nguyen a pu visualiser l'ensemble de l'alignement des bandes de la structure. L'IPE a révélé le décalage entre les bandes et la façon dont elles s'alignaient les unes par rapport aux autres, mais seulement d'un côté de l'appareil. Les mesures SE ont permis le calcul des bandes interdites, qui a conduit à la détermination de l'ensemble de la structure de la bande. « Dans les appareils, » explique Nguyen, « nous voulons des décalages de bande suffisamment grands pour qu'il n'y ait pas de bruit ou de fuite. S'ils sont trop près, les électrons peuvent sauter à travers. Avec IPE, vous pouvez vraiment regarder plus profondément sous la surface du matériau sans modifier les propriétés de l'interface.

Nguyen a également pu déterminer le travail de sortie de la couche de graphène, qui peut varier considérablement en fonction de l'emplacement de la couche et d'autres facteurs environnementaux. Les études futures se concentreront sur la possibilité de contrôler de manière reproductible les propriétés énergétiques de la couche de graphène en fonction des besoins du dispositif final.

L'impact potentiel de cette étude achevée et des résultats publiés sur le développement de futurs dispositifs est substantiel. Au lieu de développer un appareil et de mesurer de manière destructive ce qui a été construit par la suite pour déterminer ses propriétés électriques, les appareils peuvent être conçus avec un comportement électrique connu dès le départ. "La technique de Nhan est extrêmement précieuse pour faire progresser l'électronique future sur les fronts de l'électronique des semi-conducteurs, fabrication avancée, et nano fabrication, » conclut Gundlach.

En plus d'étudier la manipulation des niveaux d'énergie dans une couche de graphène, les études futures utiliseront les propriétés uniques du graphène pour étudier d'autres matériaux. Étant donné que le graphène peut être appliqué en une couche très mince et continue, il permet une bien meilleure transmission optique que les métaux semi-transparents précédemment utilisés. Nguyen a l'intention d'empiler la couche de graphène sur d'autres couches aux propriétés inconnues, en utilisant le graphène comme clé pour comprendre les couches inconnues en dessous. « Cela nous a donné accès à des mesures qui n'étaient pas disponibles auparavant, », déclare Nguyen. Ceci est essentiel alors que l'industrie va au-delà de la technologie CMOS. Les nouveaux matériaux semi-conducteurs utilisés dans des structures et des architectures de dispositifs plus complexes doivent être caractérisés. Et maintenant, Nguyen et ses collègues ont démontré une manière non destructive de le faire.