Ошибка в измерении производительности полупроводников: как её избежать

Исследовательская группа из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) выявила критическую недоработку в метриках оценки производительности, которые долгое время использовались в разработке полупроводников. Это открытие вызывает опасения, что распространенные методы измерения могут завышать реальные возможности устройств.

Во главе с профессорами Джунгхваном Кимом и Чангвуком Чонгом, команда определила, что широко используемый показатель — подвижность носителей заряда в поле (FEM) — может быть преувеличен до 30 раз в зависимости от структуры устройства. Были предложены стандартизированные рекомендации по проектированию для решения этой проблемы. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.

Почему подвижность носителей заряда важна

FEM является ключевым показателем, измеряющим скорость и эффективность движения носителей заряда в полупроводнике. Более высокое значение FEM обычно соответствует более быстрой работе устройства и меньшему энергопотреблению, что делает его критически важным параметром при разработке высокопроизводительных полупроводниковых чипов.

Исследователи обнаружили, что измерения FEM могут быть существенно завышены в тонкопленочных транзисторах на основе оксидов (TFT) — распространенном типе полупроводниковых устройств — из-за геометрической структуры. В частности, они выделили паразитный ток, вызванный геометрией электродов, как основную причину.

В типичном TFT ток протекает от истокового электрода через канал к стоковому электроду. Когда ширина канала превышает ширину электрода, могут образовываться паразитные токи — токи, выходящие за пределы основной области канала в окружающие области.

Поскольку измерительное оборудование суммирует все токи, включая эти паразитные, результирующий FEM оказывается искусственно завышенным. Это похоже на измерение средней скорости транспортных средств на шоссе с учетом автомобилей, съезжающих на обочины, что создает ложное представление об общей скорости движения.

Предложенные решения и влияние на индустрию

Для решения этой проблемы команда установила новые стандарты проектирования TFT. Они рекомендуют проектировать ширину канала так, чтобы она была меньше ширины электрода, или, если это неизбежно, обеспечивать, чтобы ширина электрода превышала длину устройства (L) как минимум в 12 раз, то есть L/W ≤ 1/12.

Соблюдение этих рекомендаций позволяет минимизировать влияние паразитного тока, обеспечивая точные измерения FEM, которые достоверно отражают производительность устройства. Экспериментальные данные и симуляции подтвердили, что следование этим стандартам устраняет завышение показателей, позволяя проводить точные сравнения материалов и структур устройств.

Кроме того, команда рекомендует измерять подвижность Холла параллельно с FEM. Подвижность Холла оценивает внутренние электрические свойства самого полупроводникового материала, независимо от геометрии устройства, предоставляя дополнительный уровень проверки, свободный от структурных погрешностей.

Профессор Ким подчеркнул: «Неточности в измерениях, завышающие производительность устройства, могут привести к неверной оценке перспективных материалов или затруднить объективные сравнения, в конечном итоге препятствуя прогрессу в полупроводниковой индустрии. Представление глобального стандарта для точной оценки FEM — это значимый шаг к более надежным исследованиям».