트랜지스터 결함을 감지하는 민감한 방법

연구원들은 트랜지스터의 결함을 감지하고 계산하는 매우 민감한 방법을 고안하고 테스트했습니다. 이는 차세대 장치를 위한 새로운 재료를 개발하는 반도체 산업에서 시급한 문제입니다. 이러한 결함은 트랜지스터 및 회로 성능을 제한하고 제품 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다.

일반적인 트랜지스터는 대부분의 경우 기본적으로 스위치입니다. 켜져 있으면 전류가 반도체의 한쪽에서 다른 쪽으로 흐릅니다. 끄면 전류가 멈춥니다. 이러한 작업은 각각 디지털 정보의 이진 1과 0을 생성합니다.

트랜지스터 성능은 지정된 양의 전류가 얼마나 안정적으로 흐를 것인가에 달려 있습니다. 원하지 않는 "불순물" 영역 또는 끊어진 화학 결합과 같은 트랜지스터 재료의 결함은 흐름을 방해하고 불안정하게 만듭니다. 이러한 결함은 장치가 작동하는 동안 즉시 또는 시간이 지남에 따라 나타날 수 있습니다.

수년에 걸쳐 과학자들은 이러한 효과를 분류하고 최소화하는 다양한 방법을 찾아냈습니다. 그러나 트랜지스터 크기가 상상할 수 없을 정도로 작아지고 스위칭 속도가 매우 빨라짐에 따라 결함을 식별하기가 더 어려워집니다. 새로운 고에너지, 고온 장치를 위한 실리콘(Si) 대신 탄화규소(SiC)와 같이 개발 중인 일부 유망한 반도체 재료의 경우 결함을 자세히 특성화하는 간단하고 직접적인 방법이 없었습니다.

새로운 방법은 기존의 Si 및 SiC 모두에서 작동하므로 연구원들은 DC 측정을 통해 결함 유형뿐만 아니라 주어진 공간에서 결함 수를 식별할 수 있습니다. 이 연구는 트랜지스터에서 두 종류의 전하 운반체, 즉 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 "정공" 사이의 상호작용에 초점을 맞추며, 이 공간은 국부 원자 구조에서 전자가 누락된 공간입니다.

트랜지스터가 올바르게 작동하면 특정 전자 전류가 원하는 경로를 따라 흐릅니다. 전류에 결함이 발생하면 전자가 갇히거나 옮겨지고 정공과 결합하여 재결합이라고 알려진 과정에서 전기적으로 중성인 영역을 형성할 수 있습니다. 각 재결합은 전류에서 전자를 제거합니다. 다중 결함은 오작동으로 이어지는 전류 손실을 일으킵니다. 목표는 결함의 위치, 특정 효과, 이상적으로는 결함 수를 결정하는 것입니다.

새로운 연구에서 연구자들은 일반적으로 두께가 약 10억분의 1m이고 길이가 100만분의 1m에 불과한 한 영역, 즉 얇은 산화물 층과 벌크 반도체 본체 사이의 경계 또는 채널에 집중했습니다. 채널의 활동에만 집중하기 위해 연구원들은 BAE(Bipolar Amplification Effect)라는 기술을 사용합니다. 이 기술은 소스, 게이트 및 드레인에 인가되는 바이어스 전압을 특정 구성으로 배열함으로써 달성됩니다.

BAE가 작동하는 정확한 메커니즘은 팀이 모델을 개발할 때까지 알려지지 않았습니다. BAE 모델 이전에는 EDMR 측정을 위해 전압을 인가하고 전류를 제어하기 위한 리소스로 이 방식이 엄격하게 사용되었으며, 이는 보다 정성적인 결함 식별에 유용합니다. 새로운 모델을 통해 BAE는 결함 수를 정량적으로 측정하고 전류와 전압만으로 측정할 수 있는 도구로 사용할 수 있습니다.

연구원들이 금속 산화물 반도체 트랜지스터에 대한 일련의 개념 증명 실험에서 테스트한 이 모델은 정량적 측정을 가능하게 합니다. 이 기술은 불안정한 트랜지스터 결함의 존재와 그 형성에 대한 기계론적 이해 경로에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 이러한 지식이 있으면 트랜지스터 성능과 신뢰성을 향상시키기 위해 이를 제어하고 줄일 수 있는 더 큰 기회가 있을 것입니다.