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Artículos Técnicos

Análisis de caracterización de microscopia de capacitancia en canal de vacío de dispositivos nanoelectrónicos

 

Introducción

Los esfuerzos para endurecer los componentes electrónicos y sistemas usando dispositivos de estado sólidos contra los efectos de la radiación y calor para uso en recorrido de espacio se han convertido en una importante operación de ingeniería para agencias de exploración espaciales alrededor del mundo. Dicho trabajo no sólo ha sido desperdiciador de tiempo, sino costoso, así como con la mayoría de las soluciones de entrega siendo más costosas y tecnológicamente más de lo que está normalmente disponible para los consumidores de otros tipos de aplicación. Para hacer frente a los inconvenientes de la utilización de dispositivos de estado sólidos en el espacio, la investigación ha comenzado a centrarse en reactivar la tecnología del tubo de vacío utilizando modelos de fabricación basados en silicio como una solución alternativa. En esta investigación, un dispositivo desarrollado recientemente fue caracterizado mediante microscopía de capacitancia (SCM) utilizando un sistema Park NX20 de microscopía de fuerza atómica (AFM) para evaluar su viabilidad como un transistor. La muestra representativa tenía su interfaz de fuente examinada usando un área de la exploración de 450 x 800 nm. Los datos de capacitancia obtenidos revelan que el dispositivo puede ser eléctricamente viable como un transistor funcional. Su fuente y dren cada uno se observaron para tener una capacidad promedio (representada en unidades de voltaje) de -1.4 μV mientras que los puntos circulares al lado del final de cada terminal exhibieron una capacidad promedio de -1.8 μV. La región del canal del vacío entre los puntos antes mencionados se observó que todas las características más positivas de capacidad relativa en el área de exploración con un valor promedio registrado de 2,3 μV.

Palabras clave: microscopía de fuerza atómica, AFM, capacitancia, caracterización, microscopia de escaneo de capacitancia, SCM, silicona, topografía, transistor, semiconductor, vacío, canal vacío

 

Experimentos

Diferentes tipos de muestras fueron investigadas usando el sistema de AFM Park XE7 para evaluar el desempeño del modo True Non-Contact de la herramienta. Estas muestras fueron caracterizadas bajo condiciones de aire ambiente en la siguiente secuencia: 1) una oblea de zafiro, 2) una película de tungsteno y 3) fibrillas de colágeno. La oblea del zafiro fue la primera muestra a medir para comprobar el rendimiento de los detectores de bajo nivel de ruido del Park XE7 en muestras de medición con las características de la nanoescala. Con esa revisión completada, luego se midieron las fibrillas de colágeno y la película de tungsteno para demostrar que no existe ningún contacto físico entre la punta y la muestra durante el análisis. El mismo voladizo con una frecuencia relativamente de alta resonancia ~300 kHz y la constante elástica de ~ 40 N/m fue utilizada en la medición de las muestras en todo el proceso.

La imagen AFM de no contacto se adquiere mediante la medición de los cambios en la amplitud de vibración de la micropalanca inducida por el fuerzas atractivas de van der Waals ya que el voladizo es mecánicamente oscilado cerca de su frecuencia resonante durante la exploración. Los cambios registrados son compensados por el lazo de retroalimentación del AFM, que mantiene la amplitud constante y la distancia del voladizo. El modo sin contacto mide la topografía de la superficie de la muestra mediante el uso de este mecanismo de retroalimentación para controlar el movimiento del explorador de Z [1]. En este estudio, la amplitud (o punto de ajuste) constantemente mantenido fue seleccionado basado en las características de cada muestra. Teóricamente, cuanto más el valor del punto de ajuste a la amplitud de la conducción, tanto mayor la distancia entre la punta y la muestra. El punto seleccionado para la película de tungsteno es de aproximadamente el 80% de la amplitud de la conducción. Un punto más alto fue elegido para que este ejemplo para asegurar que la punta no tocará la superficie. Puesto que una superficie de la película de tungsteno es más dura que la punta de silicio, la interacción punta-muestra daría lugar a daño severo de la punta. Para la oblea de zafiro y la fibrilla de colágeno, el punto elegido se eligió como más bajo, alrededor del 40-50% de la amplitud de la conducción, ya que la mejor resolución puede adquirirse dentro de esta gama.

 

 

161228-afm-image-sourtce-drainFigure 1. Modo de contacto AFM de la topografía de la interfaz fuente-drenaje del dispositivo de canal de vacío. La línea roja superpuesta se corresponde con el perfil de la línea de topografía mostrada en la figura 2. Tamaño de escaneo: 450 px × 800 px.

 

161228-line-profiles-afm-topographyFigure 2. Los perfiles de línea de la topografía de AFM (rojo, eje izquierdo y en nm) y los datos de capacitancia (eje verde, derecho y en μV) del área del dispositivo en las figuras 1 y 3.

 

 

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Figure 3. Una imagen de capacitancia SCM de la región que contiene el drenaje de la fuente de la interface del dispositivo. Los colores más brillantes corresponden a las áreas relativamente cargadas más positivamente del dispositivo mientras que los colores más oscuros corresponden a áreas relativamente más negativamente cargadas. La línea roja superpuesta se corresponde con el perfil de la línea de topografía mostrada en la figura 2. Tamaño de escaneo: 450 px × 800 px.

  

REFERENCIAS

1. Keys, A.S., Watson, M.D. (2007) Radiation Hardened Electronics for Extreme Environments, NASA Marshall Space Flight Center.

2. Vacuum Nanoelectronics: Interview with M. Meyyappan and Jin Woo Han. (2013) Retrieved from https://www.eeweb.com/blog/eeweb/interview-with-m.-meyyappan-and-jin-woo-han-on-vacuum-nanoelectronics

3. Scanning Capacitance Microsocpy (SCM). (2016) Retrieved from http://www.parkafm.com/index.php/park- spm-modes/94-electrical-properties/235-scanning-capacitance-microscopy-scm

4. Han, J.W., Meyyappan, M. (2014) Intro-ducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing, IEEE Spectrum. Re-trieved from http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/introducing-the-vacuum-transistor-a-device-made-of-nothing

5. How AFM Works. (2016) Retrieved from http://www.parkafm.com/index.php/medias/nano-academy/how-afm-works