Uma nova técnica para estudar defeitos em materiais semicondutores pode levar a uma melhor velocidade, potência e desempenho de dispositivos eletrônicos, revelando as limitações de nível atômico de materiais avançados.
Desenvolvida por uma equipe de pesquisadores liderada pela Penn State e liderada pelo ex-aluno de pós-graduação da Penn State James Ashton, a ferramenta analítica faz uso de campos magnéticos extremamente pequenos e frequências muito menores do que as normalmente usadas em tais medições para detectar e medir imperfeições em novos materiais , fornecendo informações estruturais sobre as interações magnéticas entre elétrons e núcleos magnéticos próximos de uma forma mais simples do que era possível anteriormente.

A abordagem foi publicada como um artigo de capa em Applied Physics Letters . De acordo com Patrick Lenahan, distinto professor de ciências de engenharia e mecânica da Penn State e orientador da tese de doutorado de Ashton, a ferramenta permite que os pesquisadores deem um grande passo para resolver uma variedade de falhas em dispositivos de última geração.

Os pesquisadores se concentraram em transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico (MOSFETs), que são encontrados em quase todos os dispositivos com circuitos integrados, de telefones celulares a computadores. Anteriormente projetados com silício e dióxido de silício, os MOSFETs agora podem ser fabricados com outros materiais, incluindo carboneto de silício como material semicondutor. Lenahan apontou que o material relativamente novo tem vantagens substanciais para altas temperaturas e aplicações de alta potência. No entanto, ele explicou, os MOSFETs de carboneto de silício são limitados por defeitos de escala atômica que os pesquisadores não conseguiram entender completamente.

"A presença de um defeito sutil, como um local de átomo ausente para cada, digamos, 5.000 átomos na fronteira entre o carboneto de silício e o óxido de porta MOSFET, será suficiente para arruinar qualquer dispositivo", disse Lenahan. “Então, precisávamos de uma maneira de olhar para o sutil desvio da perfeição, para entender o que está limitando o desempenho desses dispositivos”.

Para detectar tais desvios, os pesquisadores usam ressonância magnética - semelhante à tecnologia que os médicos usam para visualizar anormalidades de tecidos moles no corpo humano - para excitar elétrons em SiC MOSFETs. Essas medições podem fornecer informações detalhadas sobre as imperfeições do material, particularmente onde os elétrons interagem com imperfeições de escala atômica, como locais de átomos ausentes. Tradicionalmente, essa técnica exigia um campo magnético alto e tinha uma sensibilidade de cerca de 10 bilhões de defeitos – muito mais defeitos do que os presentes nos pequenos dispositivos SiC. Recentemente, no entanto, surgiu uma nova iteração da técnica, chamada ressonância magnética detectada eletricamente, para a qual o tamanho do campo é irrelevante para a sensibilidade e um número muito menor de defeitos limitantes do dispositivo pode ser detectado diretamente durante a operação elétrica, de acordo com Lenahan.

"O fato de que você pode fazer ressonância magnética extremamente sensível funcionar com campos magnéticos extremamente pequenos é uma área que basicamente não é investigada", disse Lenahan. "Teóricos escreveram artigos perguntando:'Suponha que você pudesse fazer tal medição - o que você poderia descobrir?' E acontece que existe um caminho, que é o que demonstramos aqui com nossa nova ferramenta analítica."

Lenahan, Ashton e sua equipe aplicaram ressonância magnética detectada eletricamente para medir os efeitos do spin em interações em escala atômica capturadas em uma imperfeição em um dispositivo usando campos magnéticos extraordinariamente pequenos.

Spin descreve uma característica fundamental de partículas, como elétrons, prótons e nêutrons. Todos os elétrons, incluindo aqueles capturados nas imperfeições nos MOSFETs, têm spin, e os núcleos dos átomos que os cercam também podem ter seu próprio spin. A ressonância magnética eletricamente detectada pode medir as "interações hiperfinas", que são as interações magnéticas entre o elétron e os spins nucleares. Observar essas interações pode revelar detalhes estruturais e químicos sobre esses defeitos.

"As pessoas estão interessadas em interações hiperfinas elétron-nucleares há mais de 60 anos, e essa ferramenta fornece uma nova maneira de observar essas interações em amostras muito pequenas com uma medição elétrica", disse Lenahan. "Estamos analisando amostras de nanômetros por mícron por mícron - amostras que são bilhões de vezes menores do que você poderia investigar com técnicas de ressonância mais convencionais - para que possamos realmente entender em um nível atômico o que limita o desempenho de a partir desse entendimento, podemos sugerir como as pessoas em laboratórios de pesquisa e desenvolvimento industrial podem tentar fazer com que os dispositivos funcionem melhor."

De acordo com Stephen Moxim, co-autor da publicação e estudante de doutorado em engenharia e engenharia da Penn State, os resultados também se relacionam com a física de spin mais fundamental.

"Quando o elétron gira dentro dos centros de defeito 'vira', ou muda seu estado de rotação, em um experimento de ressonância magnética, eles eventualmente relaxam de volta ao seu estado de rotação original", disse ele. "Entre outras coisas, os resultados aqui mostram como esse processo de relaxamento está relacionado ao ambiente em que os defeitos existem. Especificamente, eles nos dão uma idéia de como os núcleos magnéticos situados perto dos elétrons do defeito afetam o processo de relaxamento."

De acordo com Moxim, essa abordagem, construída em uma ferramenta de medição de corrente elétrica direta relativamente simples, poderia potencialmente se traduzir no campo da computação quântica.

"É sempre incrível quando você vê a interseção da física teórica e da engenharia prática", disse Fedor Sharov, co-autor e estudante de doutorado em engenharia e mecânica da Penn State. “Ideias e teorias de décadas atrás estão encontrando um lar perfeito em uma nova técnica que, no passado recente, os teóricos podem nem ter considerado”. + Explorar mais

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