用磁共振方法发现SiC缺陷

宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，电测量磁共振可能会使先进电子器件成为可能

一种研究半导体材料缺陷的新技术可以揭示先进材料在原子级的缺陷，从而提高电子器件的速度、功率和性能。

 

该分析工具由宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究团队开发，由前宾夕法尼亚州立大学研究生James Ashton领导，该工具利用极小的磁场和频率，远小于此类测量中通常使用的磁场和频率，以检测和测量SiC等新材料中的缺陷，以比以前更简单的方式提供有关电子与附近磁核之间磁相互作用的结构信息。

 

该方法作为封面文章发表在《应用物理学快报》上。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学杰出教授、阿什顿大学博士论文顾问Patrick Lenahan（上图）表示，该工具使研究人员朝着解决下一代器件中的各种失效迈出了一大步。

 

研究人员观察了受到原子级缺陷限制的SiC MOSFET，但还不能完全理解这些缺陷。

 

Lenahan说：“在SiC和MOSFET栅氧化层之间的边界处，每 5,000 个原子就存在一个细微缺陷，例如每 5,000 个原子缺失一个原子位点，这一细微缺陷的存在足以毁掉任何器件。因此，我们需要一种方法来看到与完美的细微偏差，了解是什么限制了这些器件的性能。”

 

为了检测这种偏差，研究人员利用磁共振激发SiC MOSFET中的电子。传统上，这项技术需要高磁场，其灵敏度约为100亿个缺陷，远远超过小型SiC器件中存在的缺陷。然而，最近出现了一种新的技术迭代，称为电测量磁共振，根据Lenahan的说法，对于这种技术，磁场的大小与灵敏度无关，并且可以在电气操作过程中直接检测到更小的器件限制缺陷。

 

Lenahan说：“你可以在极小的磁场下进行极其灵敏的磁共振，这是一个基本上没有被研究过的领域。理论家们写过论文，问‘假设你可以进行这样的测量，你会发现什么？’，结果证明有一种方法，这就是我们在这里用新的分析工具演示的方法。”

 

Lenahan、Ashton和他们的团队应用电测量磁共振测量自旋对原子尺度相互作用的影响，这种相互作用是使用非常小的磁场在器件缺陷处捕获的。

 

电测量磁共振可以测量“超精细相互作用”，即电子和核自旋之间的磁相互作用。观察这些相互作用可以揭示这些缺陷的结构和化学细节。

 

Lenahan说：“60多年来，人们一直对电子-核超精细相互作用感兴趣，这个工具提供了一种新的方法，可以通过电测量在非常小的样品中观察这些相互作用。我们正在逐个研究微米样品中的纳米尺度信息，这些样品比你可以用更传统的共振技术研究的样品小数十亿倍，因此我们可以在原子级尺度真正理解是什么限制了这种特定器件的性能。从这种理解中，我们可以建议工业研发实验室的人员如何尽量使器件工作得更好。”

 

据该论文的合著者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学博士生Stephen Moxim称，研究结果还与更基础的自旋物理学有关。

 

他说：“在磁共振实验中，当缺陷中心内的电子自旋‘翻转’或改变其自旋状态时，它们最终会弛豫回到原来的自旋状态。除此之外，这里的结果显示了这种弛豫过程如何与缺陷存在的环境相关。特别是，它们让我们了解了位于缺陷电子附近的磁核如何影响弛豫过程。”

 

根据Moxim的说法，这种建立在相对简单的直流电测量工具基础上的方法有可能转到量子计算领域。

 

“当你看到理论物理和实际工程的交叉点时，总是令人难以置信，”论文合著者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学博士生Fedor Sharov说。“几十年前的想法和理论正在一种新技术中找到完美的归宿，而在最近的过去，理论家可能甚至没有考虑过这种技术。”

 

这篇论文的其他作者是Brian Manning，他来自加利福尼亚州圣罗莎的Keysight高频技术中心，Ashon目前在该中心工作，也是Lenahan在这项研究期间的一名博士生；JasonRyan是美国国家标准与技术研究院（NIST）的项目负责人，也是Ashton在NIST任职期间的顾问，他还获得了Lenahan group的博士学位。

 

美国陆军研究实验室和空军科学研究办公室资助了这项工作。

 

参考文献

'Intermediate spin pair relaxation through modulation of isotropic hyperfine interaction in frequency-swept spin-dependent recombination in 4H-SiC' by J. P. Ashton et al; Appl. Phys. Lett. 120, 062403 (2022)

 

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