Metode Sensitif untuk Mendeteksi Cacat Transistor
Para peneliti merancang dan menguji metode yang sangat sensitif untuk mendeteksi dan menghitung cacat pada transistor — masalah yang menjadi perhatian mendesak bagi industri semikonduktor saat mengembangkan bahan baru untuk perangkat generasi berikutnya. Cacat ini membatasi kinerja transistor dan sirkuit dan dapat memengaruhi keandalan produk.
Transistor tipikal, untuk sebagian besar kegunaan, pada dasarnya adalah sakelar. Saat menyala, arus mengalir dari satu sisi semikonduktor ke sisi lainnya; mematikannya menghentikan arus. Tindakan tersebut masing-masing membuat biner 1 dan 0 dari informasi digital.
Kinerja transistor sangat tergantung pada seberapa andal jumlah arus yang ditentukan akan mengalir. Cacat pada bahan transistor, seperti daerah "pengotor" yang tidak diinginkan atau ikatan kimia yang terputus, mengganggu dan mengacaukan aliran. Cacat ini dapat muncul dengan sendirinya atau seiring waktu saat perangkat beroperasi.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menemukan banyak cara untuk mengklasifikasikan dan meminimalkan efek tersebut. Tetapi cacat menjadi lebih sulit untuk diidentifikasi karena dimensi transistor menjadi sangat kecil dan kecepatan switching sangat tinggi. Untuk beberapa bahan semikonduktor yang menjanjikan dalam pengembangan — seperti silikon karbida (SiC) alih-alih silikon (Si) saja untuk perangkat berenergi tinggi dan bersuhu tinggi yang baru — belum ada cara sederhana dan langsung untuk mengkarakterisasi cacat secara mendetail.
Metode baru ini bekerja dengan Si dan SiC tradisional, memungkinkan peneliti untuk mengidentifikasi tidak hanya jenis cacat, tetapi juga jumlah cacat tersebut dalam ruang tertentu dengan pengukuran DC. Penelitian ini berfokus pada interaksi antara dua jenis pembawa muatan listrik dalam transistor:elektron bermuatan negatif dan “lubang” bermuatan positif, yang merupakan ruang di mana elektron hilang dari struktur atom lokal.
Ketika transistor berfungsi dengan benar, arus elektron tertentu mengalir di sepanjang jalur yang diinginkan. Jika arus menemui cacat, elektron terperangkap atau dipindahkan dan kemudian dapat bergabung dengan lubang untuk membentuk area netral secara elektrik dalam proses yang dikenal sebagai rekombinasi. Setiap rekombinasi menghilangkan elektron dari arus. Beberapa cacat menyebabkan kerugian saat ini yang menyebabkan kegagalan fungsi. Tujuannya adalah untuk menentukan di mana cacat, efek spesifiknya, dan — idealnya — jumlahnya.
Dalam pekerjaan baru, para peneliti berkonsentrasi pada satu wilayah yang biasanya hanya sekitar 1 miliar meter tebal dan sepersejuta meter panjang:batas, atau saluran, antara lapisan oksida tipis dan tubuh semikonduktor massal. Untuk fokus secara eksklusif pada aktivitas di saluran, peneliti menggunakan teknik yang disebut efek amplifikasi bipolar (BAE), yang dicapai dengan mengatur tegangan bias yang diterapkan ke sumber, gerbang, dan saluran dalam konfigurasi tertentu.
Mekanisme pasti bagaimana BAE beroperasi tidak diketahui sampai tim mengembangkan modelnya. Sebelum model BAE, skema ini digunakan secara ketat sebagai sumber daya untuk menerapkan tegangan dan mengendalikan arus untuk pengukuran EDMR, yang berguna untuk identifikasi cacat yang lebih kualitatif. Model baru memungkinkan BAE sebagai alat untuk mengukur jumlah cacat secara kuantitatif dan melakukannya hanya dengan arus dan tegangan.
Model, yang diuji para peneliti dalam serangkaian eksperimen pembuktian konsep pada transistor semikonduktor oksida logam, memungkinkan pengukuran kuantitatif. Teknik ini dapat memberikan wawasan tentang keberadaan cacat transistor yang tidak stabil dan jalan menuju pemahaman mekanistik tentang pembentukannya. Dengan pengetahuan seperti itu, akan ada peluang lebih besar untuk mengontrol dan menguranginya guna meningkatkan kinerja dan keandalan transistor.
