Квантовая алмазная микроскопия: картирование распределения токов в полупроводниках следующего поколения

Квантовая алмазная микроскопия: картирование тока в полупроводниках следующего поколения

На протяжении десятилетий алмаз называли «совершенным» полупроводником благодаря его экстремальным тепловым и электрическим свойствам, однако визуализация его внутренней механики оставалась серьезной проблемой. Используя квантовые азотно-вакансионные (NV) центры, встроенные в подложку, исследователи успешно картировали плотность тока в алмазных транзисторах с беспрецедентным разрешением на микрометровом уровне. Этот прорыв, подробно описанный в новом исследовании, проведенном совместной группой ученых, включая Anuj Bathla и экспертов по гексагональному нитриду бора (hBN), таких как Kenji Watanabe и Takashi Taniguchi, открывает неинвазивное окно в поведение силовой электроники. Способность «видеть» электричество, движущееся через твердую алмазную решетку, потенциально может ускорить переход к более эффективным энергетическим сетям, высокочастотным системам связи и надежным силовым агрегатам электромобилей (EV).

Алмазный рубеж в вычислительной технике

По мере того как ограничения электроники на основе кремния становятся все более очевидными, поиск широкозонных материалов привел ученых к алмазу. По сравнению с обычным кремнием, алмаз обладает значительно большей шириной запрещенной зоны, исключительной подвижностью носителей заряда и самой высокой известной теплопроводностью среди всех объемных материалов. Эти характеристики делают его идеальным для обеспечения высоковольтной стабильности и эффективного управления теплом, которые являются основными «узкими местами» в проектировании современных чипов. Однако разработка алмазных полевых транзисторов (FET) сдерживалась сложностью характеризации транспорта на скрытых границах раздела. Исследование сосредоточено на поверхностях алмаза, терминированных водородом, где взаимодействие между атомами водорода и алмазной решеткой индуцирует двумерный дырочный газ (2DHG). Этот 2DHG служит проводящим каналом транзистора, но до сих пор наблюдение за тем, как ток фактически проходит через этот канал под затвором, было в основном вопросом теоретического моделирования, а не прямого наблюдения.

Квантовый микроскоп: видение сквозь твердую материю

Ключевая инновация этого исследования заключается в применении широкопольной квантовой алмазной микроскопии (QDM). Для этого исследователи использовали азотно-вакансионные (NV) центры — дефекты атомного масштаба, в которых атом азота и вакансия замещают атомы углерода в алмазной решетке. Эти NV-центры действуют как высокочувствительные квантовые сенсоры. Ансамбль этих центров, расположенный примерно в 1 микрометре под поверхностью алмаза, использовался для проведения неинвазивной магнитной визуализации работающего устройства. Поскольку движущиеся электрические заряды генерируют магнитные поля, NV-центры могут обнаруживать магнитную сигнатуру тока, протекающего через 2DHG. Контролируя спиновые состояния этих квантовых дефектов с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции, команда смогла преобразовать сложные данные магнитного поля в наглядные двухмерные карты электричества без изменения функций устройства и без необходимости разрушительного поперечного сечения.

Методология и характеризация in situ

Чтобы тщательно протестировать возможности этой платформы квантовой визуализации, исследователи охарактеризовали FET в широком диапазоне рабочих условий. На устройства подавалось смещение сток-исток ($V_{ds}$) от 0 до -15 В и напряжение затвора ($V_{gs}$) от +3 до -9 В. Пока транзисторы были активны, команда проводила широкопольную NV-магнитометрию in situ. Этот подход позволил одновременно собирать данные об электрических характеристиках и пространственные карты магнитного поля. Реконструируя распределение плотности тока по этим магнитным картам, исследователи смогли напрямую визуализировать, как ток инжектируется в контактах истока-стока и как он движется под каналом с затвором из гексагонального нитрида бора (hBN). Этот взгляд «под капот» имеет решающее значение для точного определения того, где устройство может работать неэффективно или выходить из строя в условиях высоких нагрузок.

Визуализация тока на микрометровом уровне

Полученные изображения обеспечили уровень детализации, ранее недоступный инженерам по полупроводникам. Карты магнитного поля выявили значительные колебания плотности тока в области канала, которые исследователи объяснили неоднородностями или дефектами в диэлектрике затвора. Кроме того, исследование выявило заметное усиление тока стока — измеренное в диапазоне от 600 до 900 мкА — при лазерном освещении. Это сопровождалось сдвигом кажущегося порогового напряжения, что отражает фотоиндуцированные изменения в электростатике канала. Сопоставляя эти зависящие от затвора магнитные изображения с традиционными электрическими измерениями, команда установила прямую связь между пространственным распределением тока и передаточными характеристиками FET. Это позволяет получить детальное понимание того, как несовершенства на скрытой границе раздела между алмазом и диэлектриком hBN влияют на общую эффективность транзистора.

Значение для производства полупроводников

Возможность картирования транспорта на скрытых границах раздела имеет глубокие последствия для производства мощных FET. В качестве диагностического инструмента квантовая алмазная микроскопия может выявлять «горячие точки» или области скучивания тока, которые приводят к преждевременному выходу устройства из строя. В контексте широкозонных полупроводников, где производственные дефекты встречаются чаще, чем в отработанных процессах на основе кремния, такая диагностическая возможность неоценима. Участие Kenji Watanabe и Takashi Taniguchi, известных своими работами по синтезу сверхчистых 2D-материалов, подчеркивает важность диэлектрического интерфейса. Используя hBN в качестве диэлектрика затвора, исследователи продемонстрировали, что QDM полностью совместима с архитектурами с верхним затвором, что делает ее универсальной платформой для исследования не только алмаза, но и целого ряда новых материалов, включая гетероструктуры Ван-дер-Ваальса и другие широкозонные каналы.

Повышение долговечности и эффективности

Понимание пространственного распределения тока — это первый шаг к созданию более долговечной электроники. Когда ток течет неравномерно, это создает локальное тепловое напряжение, которое со временем разрушает полупроводниковый материал. Используя данные, полученные с помощью NV-магнитометрии, инженеры могут перепроектировать структуры затворов и геометрию контактов для обеспечения более однородного потока заряда. Это особенно актуально для сектора высокочастотной связи, где целостность сигнала имеет первостепенное значение, и для силовой электроники, где даже небольшое процентное увеличение эффективности может привести к огромной экономии энергии в масштабах национальной энергосистемы. Исследование предполагает, что широкопольная NV-магнитометрия станет стандартным эталоном для характеризации следующего поколения высокопроизводительных транзисторов.

На пути к алмазному веку электроники

Переход к «алмазному веку» электроники больше не является отдаленной теоретической возможностью, а превращается в инженерную реальность, которая в настоящее время совершенствуется в лабораториях. Последствия для технологий электромобилей (EV) особенно впечатляют: алмазные преобразователи мощности могут быть меньше, легче и более термостойкими, чем современные компоненты из карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN), что потенциально увеличит запас хода и скорость зарядки будущих автомобилей. Однако прежде чем эти чипы смогут поступить в серийное производство, отрасли необходимы точные диагностические прорывы, продемонстрированные в этом исследовании. Масштабирование технологии алмазных транзисторов требует глубокого понимания того, как носители заряда ведут себя на микрометровом уровне при различных экологических и электрических нагрузках.

Будущие направления и масштабируемость

В будущем исследователи стремятся еще больше улучшить пространственное разрешение метода визуализации на основе NV-центров и адаптировать его для еще более сложных архитектур устройств. Совместимость методологии с широким спектром материалов позволяет предположить, что она может служить универсальным инструментом для полупроводниковой промышленности. Будущие эксперименты могут быть направлены на изучение переходных процессов тока во время высокоскоростного переключения, обеспечивая временное разрешение динамики транзисторов. Поскольку научное сообщество продолжает интегрировать 2D-материалы и широкозонные полупроводники в коммерческие приложения, широкопольная квантовая алмазная микроскопия становится краеугольной технологией, обеспечивающей ясность, необходимую для освоения совершенного полупроводника и открытия новой эры электронной производительности.