美国NIST提出改进检测电晶体缺陷技术
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在过去十年中，高性能运算芯片中的电晶体组件不断的微缩，以至于传统的电荷泵
(charge pumping)方法不再能够准确计算缺陷。NIST改进其方法与技术，可提高检测的灵
敏度，并对可能损害电晶体性能与限制其芯片可靠性的缺陷，提供准确的评估。
电晶体是智慧型手机和电脑等现代电子设备的组成部分。美国国家标准与技术研究院
(NIST)的研究人员改进一种曾经可靠、并应用于辨识和运算电晶体中缺陷的技术。
电晶体不断微缩，传统电荷泵检测技术可能失效
电晶体中的缺陷会干扰电流的稳定流动，并显著降低电晶体的性能，这些缺陷可能是电晶
体材料中的化学键断裂，或可能是材料中捕获电子的原子杂质。
在金属氧化物半导体场效应电晶体(MOSFET)的传统设计中，栅极(gate)的金属电极位于二
氧化硅薄绝缘层的顶部。绝缘层下方是分离绝缘层和半导体主体的界面区域。在一个典型
的电晶体中，电流通过一个只有几奈米(10-9 m)厚的窄通道，该通道从栅极一侧的源极
(source)延伸到另一侧的汲极(drain)，透过栅极控制通道中的电流量。
电荷泵是一个两步骤过程，其中借由交替用正、负测试电压对栅极进行脉冲。在传统电荷
泵中，都设定为单一频率的交流电压脉冲施加。测试第一步，正电压将带负电的电子吸引
或泵送到栅极绝缘层和电晶体主体之间的边界或界面，界面处的缺陷中会困住一些泵浦电
子，但界面上仍残留许多电子；第二步，施加负电压，清除界面上多余的电子，留下被缺
陷俘获的电子。负电压也将正电荷载子(电洞)吸引到缺陷中，与缺陷中俘获的电子结合。
此过程产生的电流大小与缺陷数量成比例，若输出电流越大，表示缺陷数越多。
过去，电流确实是衡量电晶体缺陷的可靠方法。然而，当电晶体中的绝缘氧化物层非常薄
时(约10到20个氢原子宽；3到6奈米左右)，量子效应就显得非常重要，会搅乱或限制传统
电荷泵方法的量测。当材料层越薄，电子逃逸的可能性就越高，因而产生穿隧电流。随着
电晶体尺寸的缩小，通过绝缘氧化层的穿隧电流让利用传统电荷泵方法几乎检测不到缺陷
。因此，这项技术几乎快被放弃。
调频电荷泵方法使检测灵敏度提高，且可检测超小特征缺陷
NIST研究人员找到了一种挽救该技术的方法，使其不仅适用于超薄电晶体组件，而且更加
灵敏，并能够记录来自单个缺陷的讯号。解决关键在于无论电荷泵之正、负电压脉冲的频
率如何，量子穿隧产生的电流几乎保持不变。
研究人员利用调频电荷泵(frequency modulated charge pumping，FMCP)方法，施加两种
不同频率交替的正、负电压来修改原来单一频率电荷泵技术。以两种不同频率施加的电压
提供了两种不同的输出电流。透过从一个输出电流减去另一个输出电流，消除了缺陷造成
混杂的穿隧电流讯号，因而能够检测出电晶体中小至氢原子直径的超小特征缺陷，且可非
常敏感地测量与控制单一电子电荷的自旋特性。因此，可从输出电流量测中了解产生出多
少倍数之电子电荷。
由于调频电荷泵(FMCP)方法可检测单个电子，因此可作为电子自旋的灵敏探针，为正在探
索未来电脑储存和传输资讯之电子自旋研究提供有价值的指引。其也在量子计量学
(quantum metrology)中被证明是有用的，可作为确定电流量子标准的潜在新方法。该调
频电荷泵技术研究成果发表于Applied Physics Letters期刊上。