Una nueva técnica para estudiar defectos en materiales semiconductores podría mejorar la velocidad, la potencia y el rendimiento de los dispositivos electrónicos al revelar las limitaciones a nivel atómico de los materiales avanzados.

Desarrollada por un equipo de investigadores dirigido por Penn State y dirigida por el ex estudiante de posgrado de Penn State James Ashton, la herramienta analítica utiliza campos magnéticos extremadamente pequeños y frecuencias mucho más pequeñas que las que se usan normalmente en tales mediciones para detectar y medir imperfecciones en nuevos materiales. , proporcionando información estructural sobre las interacciones magnéticas entre los electrones y los núcleos magnéticos cercanos de una manera más sencilla que antes.

El enfoque se publicó como artículo de portada en Applied Physics Letters . Según Patrick Lenahan, distinguido profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica en Penn State y asesor de tesis doctoral de Ashton, la herramienta permite a los investigadores dar un gran paso hacia la solución de una variedad de fallas en los dispositivos de próxima generación.

Los investigadores se centraron en los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET), que se encuentran en casi todos los dispositivos con circuitos integrados, desde teléfonos móviles hasta ordenadores. Diseñados anteriormente con silicio y dióxido de silicio, los MOSFET ahora se pueden fabricar con otros materiales, incluido el carburo de silicio como material semiconductor. Lenahan señaló que el material relativamente nuevo tiene ventajas sustanciales para aplicaciones de alta temperatura y alta potencia. Sin embargo, explicó, los MOSFET de carburo de silicio están limitados por defectos de escala atómica que los investigadores no han podido comprender completamente.

"La presencia de un defecto sutil, como un sitio de átomo faltante por cada, digamos, 5000 átomos en el límite entre el carburo de silicio y el óxido de la puerta MOSFET, será suficiente para arruinar cualquier dispositivo", dijo Lenahan. "Entonces, necesitábamos una forma de ver la desviación sutil de la perfección, para comprender qué limita el rendimiento de estos dispositivos".

Para detectar tales desviaciones, los investigadores usan resonancia magnética, similar a la tecnología que usan los médicos para visualizar anomalías en los tejidos blandos del cuerpo humano, para excitar los electrones en los MOSFET de SiC. Estas medidas pueden brindar información detallada sobre las imperfecciones del material, particularmente donde los electrones interactúan con imperfecciones de escala atómica, como sitios de átomos faltantes. Tradicionalmente, esta técnica requería un campo magnético alto y tenía una sensibilidad de alrededor de 10 mil millones de defectos, muchos más defectos que los presentes en los pequeños dispositivos de SiC. Recientemente, sin embargo, ha surgido una iteración más nueva de la técnica, llamada resonancia magnética detectada eléctricamente, para la cual el tamaño del campo es irrelevante para la sensibilidad y se podría detectar directamente una cantidad mucho menor de defectos limitantes del dispositivo durante la operación eléctrica, según Lenahan.

"El hecho de que puedas hacer que una resonancia magnética extremadamente sensible funcione con campos magnéticos extremadamente pequeños es un área que básicamente no se investiga en absoluto", dijo Lenahan. "Los teóricos han escrito artículos que preguntan:'Supongamos que pudiera hacer tal medición, ¿qué podría encontrar?' Y resulta que hay una manera, que es lo que hemos demostrado aquí con nuestra nueva herramienta analítica".

Lenahan, Ashton y su equipo aplicaron resonancia magnética detectada eléctricamente para medir los efectos del espín en las interacciones a escala atómica capturadas en una imperfección en un dispositivo que utiliza campos magnéticos extraordinariamente pequeños.

El espín describe una característica fundamental de partículas tales como electrones, protones y neutrones. Todos los electrones, incluidos los capturados en las imperfecciones de los MOSFET, tienen espín, y los núcleos de los átomos que los rodean también pueden tener su propio espín. La resonancia magnética detectada eléctricamente puede medir las "interacciones hiperfinas", que son las interacciones magnéticas entre el electrón y el espín nuclear. La observación de estas interacciones puede revelar detalles estructurales y químicos sobre estos defectos.

"La gente ha estado interesada en las interacciones hiperfinas electrón-nucleares durante más de 60 años, y esta herramienta proporciona una nueva forma de observar estas interacciones en muestras muy pequeñas con una medición eléctrica", dijo Lenahan. "Estamos analizando muestras de nanómetro a micrón a micrón, muestras que son miles de millones de veces más pequeñas de lo que podría investigar con técnicas de resonancia más convencionales, para que podamos entender realmente a nivel atómico qué es lo que limita el rendimiento de este dispositivo en particular. A partir de esa comprensión, podemos sugerir cómo las personas en los laboratorios de investigación y desarrollo industrial podrían intentar hacer que los dispositivos funcionen mejor".

Según Stephen Moxim, coautor de la publicación y estudiante de doctorado en ingeniería y mecánica de Penn State, los resultados también se relacionan con la física de espín más fundamental.

"Cuando los electrones giran dentro de los centros defectuosos 'voltean', o cambian su estado de giro, en un experimento de resonancia magnética, finalmente se relajan y regresan a su estado de giro original", dijo. "Entre otras cosas, los resultados aquí muestran cómo este proceso de relajación está relacionado con el entorno en el que existen los defectos. Específicamente, nos dan una idea de cómo los núcleos magnéticos que se encuentran cerca de los electrones defectuosos afectan el proceso de relajación".

Según Moxim, este enfoque, basado en una herramienta de medición de corriente eléctrica directa relativamente simple, podría traducirse potencialmente al campo de la computación cuántica.

"Siempre es increíble cuando ves la intersección de la física teórica y la ingeniería práctica", dijo Fedor Sharov, coautor y estudiante de doctorado en ciencias de la ingeniería y mecánica de Penn State. "Las ideas y la teoría de hace décadas están encontrando un hogar perfecto en una nueva técnica que, en el pasado reciente, los teóricos ni siquiera habrían considerado". + Explora más

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