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美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员及其合作者设计并测试了一种全新、高灵敏度的晶体管缺陷检测和计数方法——这是半导体行业在开发新一代器件用新材料时迫切关注的问题。这些缺陷限制了晶体管和电路的性能，并可能影响产品的可靠性。
对于大多数用途来说，一个典型的晶体管基本上就是一个开关。当它导通时，电流从半导体的一侧流向另一侧；将其关闭可让电流停止流通。这两个操作分别创建二进制数1和0。
（图源：NIST）
晶体管的性能关键取决于指定电流量怎样可靠地流动。晶体管材料中的缺陷，如不必要的“杂质”区域或化学键断裂，会中断和破坏电流流动。这些缺陷可以在设备运行时立即或过一段时间后显现出来。
多年来，科学家们已经找到了许多方法来区分和最小化这些缺陷的影响。
但随着晶体管尺寸变得几乎难以想象的小，开关速度变得非常快，缺陷变得更难识别。对于一些正在开发中的有应用前景的半导体材料——例如碳化硅（SiC）代替硅（Si）在新型高能量、高温器件中的应用——没有简单直接的方法来详细描述缺陷。
NIST的James Ashton与NIST和宾夕法尼亚州立大学的同事共同开展了这项研究。他表示：“我们开发的方法同时适用于传统的硅和碳化硅，这使我们首次能够通过简单的直流测量，不仅能够识别缺陷的类型，而且还能识别给定空间中缺陷的数量。”他们在10月6日刊发的《Journal of Applied Physics》上发表了研究结果。这项研究专注于晶体管中两种电荷载体之间的相互作用：带负电荷的电子和带正电荷的“空穴”，这是局部原子结构中缺少电子的空间。
当晶体管正常工作时，特定的电子电流沿所需路径流动。（空穴也可以形成电流。这项研究探索了电子电流，这是最常见的排列方式。）如果电流遇到一个缺陷，电子会被捕获或移位，然后与空穴结合形成电中性区域，这一过程称为复合。
每次复合都会从电流中除去一个电子。多个缺陷导致电流损耗，从而导致故障。我们的目标是确定缺陷的位置、具体影响以及（理想情况下）缺陷的数量。
来自NIST的论文合著者JasonRyan表示：“我们希望为制造商提供一种识别和量化缺陷的方法，因为他们正在测试不同的新材料。我们通过创建一种缺陷检测技术的物理模型实现了这一点，该技术已被广泛使用，但迄今为止人们对其了解甚少。然后，我们进行了原理验证实验，证实了我们模型的有效性。”
在经典的金属氧化物半导体设计中，称为栅极的金属电极置于薄绝缘二氧化硅层之上。在该界面下方是半导体的主体。
（图源：NIST）
在栅极的一侧是一个输入端子，称为源极；另一个是输出（漏极）。科学家通过改变施加在栅极、源极和漏极上的“偏置”电压来研究电流的动力学，这些都会影响电流的运动。
在这项新的研究中，NIST和宾夕法尼亚州立大学的研究人员将注意力集中在一个特定的通常只有约十亿分之一米厚和百万分之一米长的区域：薄氧化层和半导体主体之间的边界或沟道。
Ashton表示：“这一层非常重要，因为晶体管氧化物金属覆盖层上的电压效应会改变氧化物下沟道区域内的电子数量；该区域控制着器件从源极到漏极的电阻值。该层的性能取决于存在多少缺陷。我们研究的检测方法以前无法确定此层中存在多少缺陷。”
一种检测通道缺陷的灵敏度方法称为电测磁共振（EDMR），其原理与医学MRI相似。质子和电子等粒子具有一种称为自旋的量子特性，这使得它们像两个磁极相反的小条形磁铁。在EDMR中，晶体管用微波辐射，频率大约是微波炉的四倍。实验者在测量输出电流的同时，向设备施加磁场并逐渐改变其强度。
在频率和场强的正确组合下，缺陷处的电子“翻转”——反转它们的极点。这会导致一些电子损耗足够的能量，从而与通道缺陷处的空穴重新结合，从而降低电流。然而，沟道活动可能很难测量，因为半导体的大部分由于复合而产生了大量“噪声”。
为了专门关注通道中的活动，研究人员使用了一种称为双极放大效应（BAE）的技术，该技术通过将施加到源极、栅极和漏极的偏置电压安排在特定配置中来实现。Ashton说：“由于我们在BAE中使用的偏置以及我们在漏极处测量的电流水平，我们可以消除晶体管中发生的其他活动所产生的干扰。我们可以只选择通道中我们关心的缺陷。”
（图源：NIST）
BAE运作的确切机制直到该团队开发出模型才为人所知。“唯一的测量结果是定性的——也就是说，它们可以分辨出通道中缺陷的种类，但不能确定缺陷的数量，”论文合著者、宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学杰出教授Patrick Lenahan说。
在BAE模型出现之前，该方案被严格用作EDMR测量中施加电压和控制电流的资源，这有助于更定性的缺陷识别。新模型使BAE能够作为一种工具，定量地测量缺陷的数量，并且只需使用电流和电压即可。重要参数是界面缺陷密度，这是一个描述半导体氧化物界面某个区域内有多少缺陷的数字。BAE模型为研究人员提供了BAE电流与缺陷密度之间关系的数学描述。
研究人员在一组金属氧化物半导体晶体管的概念验证实验中对该模型进行了测试，使定量测量成为可能。“现在我们可以解释整个通道区域电荷载流子分布的变化，”Ashton说。“这就打开了用简单的电气测量来进行测量的可能性。”
“这项技术可以提供对这些不稳定晶体管缺陷存在的独特观察，以及对其形成的机械理解的途径，”Markus Kuhn说，他以前在Intel工作，现在是Rigaku半导体量测资深总监和研究员，他没有参与这项研究。“有了这些知识，就有更多的机会控制和减少它们，以提高晶体管的性能和可靠性。这将是一个进一步改进芯片电路设计和器件性能的机会，从而设计出性能更好的产品。”
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