É bem conhecido que o grafeno é o novo material quente no mundo da fabricação de eletrônicos do futuro. Com sua alta mobilidade de portadora e baixo ruído, o grafeno é visto como um possível candidato para substituir o silício em circuitos integrados. Encontrar uma maneira de caracterizar totalmente novos materiais, como o grafeno, é fundamental para o objetivo final de engenharia e fabricação bem-sucedidas de dispositivos de próxima geração. Pesquisadores do Laboratório de Medição Física do NIST nos trouxeram um passo importante mais perto desse objetivo com a determinação da função de trabalho do grafeno e o alinhamento da banda de uma estrutura de grafeno-isolador-semicondutor usando as técnicas ópticas combinadas de fotoemissão interna (IPE ) e elipsometria espectroscópica (SE).

Embora IPE e SE já existam há muito tempo, apenas recentemente os cientistas começaram a combinar as técnicas para uso na caracterização de dispositivos de circuitos integrados. IPE é usado para medir a energia dos elétrons emitidos de materiais para determinar as energias de ligação. Essencialmente, uma luz é iluminada sobre uma amostra e uma fotocorrente criada pelos elétrons ejetados é medida. Em SE, fontes de luz de banda larga são iluminadas sobre um material, e as propriedades ópticas são verificadas a partir da refletividade. Ambas as técnicas são verdadeiramente artesanais. Somente um profissional habilidoso pode realizar as medições com precisão.

“Somos o único grupo nos EUA que usa as técnicas em tempo integral, ”Explica Nhan Nguyen, da Divisão de Semicondutores e Metrologia Dimensional da PML. Nguyen, um especialista de renome mundial em IPE e SE, traz uma riqueza de experiência para as instalações de última geração do NIST. “Nhan é um dos, discutivelmente, dois especialistas em fotoemissão em todo o mundo que têm uma enorme profundidade e experiência nessa técnica de medição, ”Afirma David Gundlach, Líder do projeto de Nguyen. “No que diz respeito à elipsometria, existem relativamente poucos especialistas elipsométricos que têm a faixa espectral que ele pode cobrir com os aparelhos de medição que ele tem à sua disposição no NIST. ”

Nguyen originalmente usou as técnicas de medição combinadas para determinar com sucesso as alturas de barreira de energia e estrutura de banda de dispositivos semicondutores de óxido metálico (MOS). Com base nesse estudo, sua esperança era que ele pudesse caracterizar um dispositivo semicondutor isolante de grafeno (GIS) de uma maneira similarmente não destrutiva. Os métodos atuais para caracterizar tal dispositivo empregam técnicas destrutivas para corte transversal e análise. Esses métodos não apenas destroem o dispositivo, mas também compromete potencialmente as próprias propriedades eletrônicas que estão sendo medidas.

O alinhamento da banda é importante em dispositivos GIS porque os deslocamentos de banda corretos são necessários para evitar correntes de fuga indesejáveis ​​nas aplicações do dispositivo. Em outras palavras, se as camadas não estiverem alinhadas de maneira precisa, o dispositivo se comportará de maneira diferente do previsto, talvez até falhando totalmente. Essas informações são críticas para a engenharia bem-sucedida e a capacidade de fabricação e confiabilidade reproduzíveis de tais dispositivos. Ainda, até agora, nenhum estudo detalhado sobre o alinhamento da banda desses dispositivos foi relatado.

Nguyen e sua equipe investigaram uma estrutura que consistia em um filme de grafeno crescido por deposição química de vapor (CVD), um substrato de silício tipo p degeneradamente dopado, e uma camada térmica de SiO2 com 10 nm de espessura. O filme de grafeno, uma camada contínua de um átomo, tinha as propriedades necessárias (ou seja, extremamente fino, robusto, contínuo, e semitransparente) para permitir uma excelente transmissão óptica, permitindo medições elétricas bem abaixo da superfície.

Usando uma combinação de IPE (a configuração incluiu uma fonte de luz de xenônio de banda larga de 150 W e um monocromador Czerny Turner de um quarto de metro para ajustar a luz incidente com a energia do fóton) e SE, Nguyen foi capaz de ver a imagem completa do alinhamento da banda da estrutura. IPE revelou o deslocamento entre as bandas e como elas se alinhavam entre si, mas apenas em um lado do dispositivo. As medições SE permitiram o cálculo das lacunas de banda, o que levou à determinação de toda a estrutura da banda. “Em dispositivos, ”Nguyen explica, “Queremos deslocamentos de banda grandes o suficiente para que você não tenha ruído ou vazamento. Se eles estão muito perto, os elétrons podem saltar. Com IPE, você pode realmente olhar mais profundamente abaixo da superfície do material sem alterar as propriedades da interface. ”

Nguyen também foi capaz de determinar a função de trabalho da camada de grafeno, que pode variar muito, dependendo sobre o que a camada é colocada e outros fatores ambientais. Estudos futuros se concentrarão na possibilidade de controlar de forma reprodutível as propriedades de energia da camada de grafeno com base nas necessidades do dispositivo final.

O impacto potencial deste estudo concluído e resultados publicados no desenvolvimento de dispositivos futuros é substancial. Em vez de desenvolver um dispositivo e medir destrutivamente o que foi construído posteriormente para determinar suas propriedades elétricas, dispositivos podem ser projetados com comportamento elétrico conhecido desde o início. “A técnica de Nhan é extremamente valiosa no avanço da eletrônica do futuro nas frentes da eletrônica de semicondutores, manufatura avançada, e nano manufatura, ”Gundlach conclui.

Além de estudar a manipulação dos níveis de energia em uma camada de grafeno, estudos futuros utilizarão as propriedades únicas do grafeno para estudar outros materiais. Uma vez que o grafeno pode ser aplicado em uma camada muito fina e contínua, ele permite uma transmissão ótica muito melhor do que os metais semitransparentes usados ​​anteriormente. Nguyen pretende empilhar a camada de grafeno em outras camadas com propriedades desconhecidas, usando o grafeno como uma chave para entender as camadas desconhecidas abaixo. “Isso nos deu acesso a medições que antes não estavam disponíveis, ”Afirma Nguyen. Isso é crítico à medida que a indústria vai além da tecnologia CMOS. Novos materiais semicondutores usados ​​em estruturas e arquiteturas de dispositivos mais complicadas precisam ser caracterizados. E agora Nguyen e seus colegas demonstraram uma maneira não destrutiva de fazer isso.