Che il grafene sia il nuovo materiale caldo nel mondo della futura produzione elettronica è ben noto. Con la sua elevata mobilità del vettore e basso rumore, il grafene è visto come un possibile candidato per sostituire in definitiva il silicio nei circuiti integrati. Trovare un modo per caratterizzare completamente nuovi materiali come il grafene è fondamentale per l'obiettivo finale dell'ingegneria e della produzione di successo dei dispositivi di prossima generazione. I ricercatori del Physical Measurement Laboratory del NIST ci hanno portato un importante passo avanti verso questo obiettivo con la determinazione della funzione di lavoro del grafene e l'allineamento della banda di una struttura di grafene-isolante-semiconduttore utilizzando le tecniche ottiche combinate di fotoemissione interna (IPE ) ed ellissometria spettroscopica (SE).

Mentre IPE e SE sono in circolazione da molto tempo, solo di recente gli scienziati hanno iniziato a combinare le tecniche da utilizzare nella caratterizzazione dei dispositivi a circuito integrato. L'IPE viene utilizzato per misurare l'energia degli elettroni emessi dai materiali al fine di determinare le energie di legame. Essenzialmente, una luce viene proiettata su un campione e viene misurata una fotocorrente creata dagli elettroni espulsi. In SE, sorgenti luminose a banda larga sono illuminate su un materiale, e le proprietà ottiche sono accertate dalla riflettività. Entrambe le tecniche sono veramente artigianali. Solo un professionista esperto può eseguire le misurazioni con precisione.

"Siamo l'unico gruppo negli Stati Uniti che utilizza le tecniche a tempo pieno, ” spiega Nhan Nguyen, della Divisione Semiconduttori e Metrologia Dimensionale di PML. Nguyen, un esperto di fama mondiale sia in IPE che in SE, porta una ricchezza di esperienza alle strutture all'avanguardia del NIST. “Nhan è uno di, probabilmente, due specialisti di fotoemissione in tutto il mondo che hanno un'enorme profondità ed esperienza in quella tecnica di misurazione, ” afferma David Gundlach, Capo progetto di Nguyen. “Per quanto riguarda l'ellissometria, ci sono relativamente pochi specialisti ellissometrici che hanno la gamma spettrale che può coprire con gli apparati di misura che ha a sua disposizione al NIST.

Nguyen ha originariamente utilizzato le tecniche di misurazione combinate per determinare con successo le altezze delle barriere energetiche e la struttura delle bande dei dispositivi MOS (metallo-ossido-semiconduttore). Basandosi su quello studio, la sua speranza era quella di poter caratterizzare un dispositivo a semiconduttore-isolatore di grafene (GIS) in modo altrettanto non distruttivo. I metodi attuali per caratterizzare un tale dispositivo impiegano tecniche distruttive per il sezionamento e l'analisi trasversali. Questi metodi non solo distruggono il dispositivo, ma anche potenzialmente compromettere le proprietà molto elettroniche che vengono misurate.

L'allineamento della banda è importante nei dispositivi GIS perché sono necessari gli offset di banda corretti per prevenire correnti di dispersione indesiderate nelle applicazioni dei dispositivi. In altre parole, se gli strati non sono allineati in modo preciso, il dispositivo si comporterà in modo diverso da quanto previsto, forse addirittura fallendo del tutto. Queste informazioni sono fondamentali per la progettazione di successo e la riproducibilità e l'affidabilità riproducibili di tali dispositivi. Ancora, fino ad ora, non era stato riportato alcuno studio dettagliato sull'allineamento della banda di questi dispositivi.

Nguyen e il suo team hanno studiato una struttura che consisteva in un film di grafene cresciuto mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD), un substrato di silicio di tipo p degenerato, e uno strato di SiO2 termico spesso 10 nm. Il film di grafene, uno strato continuo di un atomo, aveva le proprietà necessarie (cioè, estremamente sottile, robusto, continuo, e semitrasparente) per consentire un'eccellente trasmissione ottica consentendo misurazioni elettriche ben al di sotto della superficie.

Utilizzando una combinazione di IPE (l'installazione includeva una sorgente di luce allo xeno a banda larga da 150 W e un monocromatore Czerny Turner di un quarto di metro per sintonizzare la luce incidente con l'energia dei fotoni) e SE, Nguyen è stato in grado di visualizzare l'intera immagine dell'allineamento della fascia della struttura. IPE ha rivelato l'offset tra le bande e come si sono allineate l'una rispetto all'altra, ma solo su un lato del dispositivo. Le misurazioni SE hanno permesso il calcolo dei band gap, che ha portato alla determinazione dell'intera struttura bandistica. “Nei dispositivi, "Spiega Nguyen, “Vogliamo offset di banda sufficientemente grandi da non avere rumore o perdite. Se sono troppo vicini, gli elettroni possono saltare attraverso. Con IPE, puoi davvero guardare più in profondità sotto la superficie del materiale senza modificare le proprietà dell'interfaccia.

Nguyen è stato anche in grado di determinare la funzione di lavoro dello strato di grafene, che può variare notevolmente a seconda di ciò su cui è posizionato lo strato e di altri fattori ambientali. Gli studi futuri si concentreranno sulla possibilità di controllare in modo riproducibile le proprietà energetiche dello strato di grafene in base alle esigenze del dispositivo finale.

Il potenziale impatto di questo studio completato e dei risultati pubblicati sullo sviluppo di dispositivi futuri è sostanziale. Invece di sviluppare un dispositivo e misurare in modo distruttivo ciò che è stato costruito in seguito per determinarne le proprietà elettriche, i dispositivi possono essere progettati con un comportamento elettrico noto fin dall'inizio. "La tecnica di Nhan è estremamente preziosa per far progredire l'elettronica futura nei fronti dell'elettronica dei semiconduttori, produzione avanzata, e nanoproduzione, ” conclude Gundlach.

Oltre a studiare la manipolazione dei livelli energetici in uno strato di grafene, studi futuri utilizzeranno le proprietà uniche del grafene per studiare altri materiali. Poiché il grafene può essere applicato in uno strato molto sottile e continuo, consente una trasmissione ottica molto migliore rispetto ai metalli semitrasparenti utilizzati in precedenza. Nguyen intende impilare lo strato di grafene su altri strati con proprietà sconosciute, usando il grafene come chiave per comprendere gli strati sconosciuti sottostanti. “Questo ci ha permesso di accedere a misurazioni che prima non erano disponibili, "Nguyen afferma. Questo è fondamentale in quanto l'industria va oltre la tecnologia CMOS. È necessario caratterizzare nuovi materiali semiconduttori utilizzati in strutture e architetture di dispositivi più complicate. E ora Nguyen e colleghi hanno dimostrato un modo non distruttivo per farlo.