Teknik Deteksi Canggih Menentukan Cacat Transistor dengan Sensitivitas Tak Tertandingi
Peneliti merancang dan menguji metode yang sangat sensitif untuk mendeteksi dan menghitung cacat dalam transistor — suatu hal yang menjadi kekhawatiran mendesak bagi industri semiconductor saat mengembangkan bahan baru untuk perangkat generasi depan. Cacat ini membatasi kinerja transistor dan sirkuit dan dapat mempengaruhi keandalan produk.
Sebuah transistor tipis, untuk sebagian besar penggunaan, pada dasarnya adalah saklar. Ketika menyala, arus mengalir dari satu sisi semiconductor ke sisi lain; mematikannya menghentikan arus. Tindakan masing-masing menciptakan 1 dan 0 biner dari informasi digital.
Kinerja transistor sangat bergantung pada seberapa terpercaya jumlah arus yang ditetapkan akan mengalir. Cacat dalam bahan transistor, seperti wilayah “impurity” yang tidak diinginkan atau ikatan kimia yang rusak, mengganggu dan menstabilkan aliran. Cacat ini dapat menunjukkan diri secara segera atau seiring waktu saat perangkat beroperasi.
Selama bertahun-tahun, ilmuwan telah menemukan banyak cara untuk mengklasifikasikan dan meminimalkan efek tersebut. Namun, cacat menjadi lebih sulit diidentifikasi seiring dimensi transistor menjadi hampir tidak terbayangkan kecil dan kecepatan switching sangat tinggi. Untuk beberapa bahan semiconductor yang menjanjikan dalam pengembangan — seperti silicon carbide (SiC) daripada silicon (Si) saja untuk perangkat energi tinggi, suhu tinggi baru — belum ada cara sederhana dan langsung untuk mengkarakterisasi cacat secara rinci.
Metode baru bekerja dengan baik dengan Si tradisional dan SiC, memungkinkan peneliti untuk mengidentifikasi tidak hanya jenis cacat, tetapi juga jumlahnya dalam ruang tertentu dengan pengukuran DC. Penelitian ini berfokus pada interaksi antara dua jenis pembawa muatan listrik dalam transistor: elektron yang bermuatan negatif dan “lubang” yang bermuatan positif, yang merupakan ruang di mana elektron hilang dari struktur atom lokal.
Saat transistor berfungsi dengan benar, arus elektron tertentu mengalir di jalur yang diinginkan. Jika arus menemui cacat, elektron tertangkap atau tergeser dan kemudian dapat bergabung dengan lubang untuk membentuk area yang netral listrik dalam proses yang dikenal sebagai recombinasi. Setiap recombinasi menghilangkan satu elektron dari arus. Banyak cacat menyebabkan kehilangan arus yang mengarah pada kegagalan. Tujuannya adalah untuk menentukan di mana cacat berada, efek spesifiknya, dan — idealnya — jumlahnya.
Dalam pekerjaan baru, peneliti berkonsentrasi pada satu wilayah yang biasanya hanya sekitar 1 miliar meter tebal dan satu juta meter panjang: batas, atau saluran, antara lapisan tipis oksida dan badan semiconductor besar. Untuk fokus secara eksklusif pada aktivitas di saluran, peneliti menggunakan teknik yang disebut bipolar amplification effect (BAE), yang dicapai dengan mengatur tegangan bias yang diterapkan ke source, gate, dan drain dalam konfigurasi tertentu.
Mekanisme tepat di mana BAE bekerja tidak dikenal hingga tim mengembangkan modelnya. Sebelum model BAE, skema digunakan secara ketat sebagai sumber untuk menerapkan tegangan dan mengontrol 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 untuk melakukannya hanya dengan arus dan tegangan.
Model, yang diuji peneliti dalam serangkaian eksperimen konsep bukti pada transistor metal oxide semiconductor, membuat pengukuran kuantitatif mungkin. Teknik dapat memberikan wawasan tentang keberadaan cacat transistor yang menstabilkan dan jalan untuk pemahaman mekanisme pembentukan mereka. Dengan pengetahuan tersebut, akan ada peluang yang lebih besar untuk mengontrol dan mengurangi mereka untuk meningkatkan kinerja dan keandalan transistor.
