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美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員及其合作者設計并測試了一種全新、高靈敏度的晶體管缺陷檢測和計數方法——這是半導體行業在開發新一代器件用新材料時迫切關注的問題。這些缺陷限制了晶體管和電路的性能，并可能影響產品的可靠性。
對于大多數用途來說，一個典型的晶體管基本上就是一個開關。當它導通時，電流從半導體的一側流向另一側；將其關閉可讓電流停止流通。這兩個操作分別創建二進制數1和0。
（圖源：NIST）
晶體管的性能關鍵取決于指定電流量怎樣可靠地流動。晶體管材料中的缺陷，如不必要的“雜質”區域或化學鍵斷裂，會中斷和破壞電流流動。這些缺陷可以在設備運行時立即或過一段時間后顯現出來。
多年來，科學家們已經找到了許多方法來區分和最小化這些缺陷的影響。
但隨著晶體管尺寸變得幾乎難以想象的小，開關速度變得非常快，缺陷變得更難識別。對于一些正在開發中的有應用前景的半導體材料——例如碳化硅（SiC）代替硅（Si）在新型高能量、高溫器件中的應用——沒有簡單直接的方法來詳細描述缺陷。
NIST的James Ashton與NIST和賓夕法尼亞州立大學的同事共同開展了這項研究。他表示：“我們開發的方法同時適用于傳統的硅和碳化硅，這使我們首次能夠通過簡單的直流測量，不僅能夠識別缺陷的類型，而且還能識別給定空間中缺陷的數量。”他們在10月6日刊發的《Journal of Applied Physics》上發表了研究結果。這項研究專注于晶體管中兩種電荷載體之間的相互作用：帶負電荷的電子和帶正電荷的“空穴”，這是局部原子結構中缺少電子的空間。
當晶體管正常工作時，特定的電子電流沿所需路徑流動。（空穴也可以形成電流。這項研究探索了電子電流，這是最常見的排列方式。）如果電流遇到一個缺陷，電子會被捕獲或移位，然后與空穴結合形成電中性區域，這一過程稱為復合。
每次復合都會從電流中除去一個電子。多個缺陷導致電流損耗，從而導致故障。我們的目標是確定缺陷的位置、具體影響以及（理想情況下）缺陷的數量。
來自NIST的論文合著者JasonRyan表示：“我們希望為制造商提供一種識別和量化缺陷的方法，因為他們正在測試不同的新材料。我們通過創建一種缺陷檢測技術的物理模型實現了這一點，該技術已被廣泛使用，但迄今為止人們對其了解甚少。然后，我們進行了原理驗證實驗，證實了我們模型的有效性。”
在經典的金屬氧化物半導體設計中，稱為柵極的金屬電極置于薄絕緣二氧化硅層之上。在該界面下方是半導體的主體。
（圖源：NIST）
在柵極的一側是一個輸入端子，稱為源極；另一個是輸出（漏極）。科學家通過改變施加在柵極、源極和漏極上的“偏置”電壓來研究電流的動力學，這些都會影響電流的運動。
在這項新的研究中，NIST和賓夕法尼亞州立大學的研究人員將注意力集中在一個特定的通常只有約十億分之一米厚和百萬分之一米長的區域：薄氧化層和半導體主體之間的邊界或溝道。
Ashton表示：“這一層非常重要，因為晶體管氧化物金屬覆蓋層上的電壓效應會改變氧化物下溝道區域內的電子數量；該區域控制著器件從源極到漏極的電阻值。該層的性能取決于存在多少缺陷。我們研究的檢測方法以前無法確定此層中存在多少缺陷。”
一種檢測通道缺陷的靈敏度方法稱為電測磁共振（EDMR），其原理與醫學MRI相似。質子和電子等粒子具有一種稱為自旋的量子特性，這使得它們像兩個磁極相反的小條形磁鐵。在EDMR中，晶體管用微波輻射，頻率大約是微波爐的四倍。實驗者在測量輸出電流的同時，向設備施加磁場并逐漸改變其強度。
在頻率和場強的正確組合下，缺陷處的電子“翻轉”——反轉它們的極點。這會導致一些電子損耗足夠的能量，從而與通道缺陷處的空穴重新結合，從而降低電流。然而，溝道活動可能很難測量，因為半導體的大部分由于復合而產生了大量“噪聲”。
為了專門關注通道中的活動，研究人員使用了一種稱為雙極放大效應（BAE）的技術，該技術通過將施加到源極、柵極和漏極的偏置電壓安排在特定配置中來實現。Ashton說：“由于我們在BAE中使用的偏置以及我們在漏極處測量的電流水平，我們可以消除晶體管中發生的其他活動所產生的干擾。我們可以只選擇通道中我們關心的缺陷。”
（圖源：NIST）
BAE運作的確切機制直到該團隊開發出模型才為人所知。“唯一的測量結果是定性的——也就是說，它們可以分辨出通道中缺陷的種類，但不能確定缺陷的數量，”論文合著者、賓夕法尼亞州立大學工程科學和力學杰出教授Patrick Lenahan說。
在BAE模型出現之前，該方案被嚴格用作EDMR測量中施加電壓和控制電流的資源，這有助于更定性的缺陷識別。新模型使BAE能夠作為一種工具，定量地測量缺陷的數量，并且只需使用電流和電壓即可。重要參數是界面缺陷密度，這是一個描述半導體氧化物界面某個區域內有多少缺陷的數字。BAE模型為研究人員提供了BAE電流與缺陷密度之間關系的數學描述。
研究人員在一組金屬氧化物半導體晶體管的概念驗證實驗中對該模型進行了測試，使定量測量成為可能。“現在我們可以解釋整個通道區域電荷載流子分布的變化，”Ashton說。“這就打開了用簡單的電氣測量來進行測量的可能性。”
“這項技術可以提供對這些不穩定晶體管缺陷存在的獨特觀察，以及對其形成的機械理解的途徑，”Markus Kuhn說，他以前在Intel工作，現在是Rigaku半導體量測資深總監和研究員，他沒有參與這項研究。“有了這些知識，就有更多的機會控制和減少它們，以提高晶體管的性能和可靠性。這將是一個進一步改進芯片電路設計和器件性能的機會，從而設計出性能更好的產品。”
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