Investigadores revelan fallas en métricas de rendimiento de semiconductores

Un equipo de investigación del Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) descubrió un error crítico en las métricas de evaluación de rendimiento que han guiado durante años el desarrollo de semiconductores. Este hallazgo genera preocupaciones sobre la posibilidad de que las mediciones comúnmente utilizadas sobrestimen las capacidades de los dispositivos.

Dirigido por los profesores Junghwan Kim y Changwook Jeong de la Escuela de Graduados en Ingeniería de Materiales y Dispositivos Semiconductores de UNIST, el equipo identificó que la métrica ampliamente utilizada, la movilidad de efecto de campo (FEM), puede ser exagerada hasta 30 veces dependiendo de la estructura del dispositivo. Para abordar este problema, propusieron directrices de diseño estandarizadas.

Los hallazgos fueron publicados en la revista ACS Nano.

Importancia de la movilidad de efecto de campo

La FEM es un indicador clave que mide la rapidez y eficiencia con la que se mueven los portadores de carga dentro de un semiconductor. Un valor más alto de FEM generalmente se correlaciona con un funcionamiento más rápido del dispositivo y un menor consumo de energía, lo que lo convierte en un parámetro crucial en el desarrollo de chips semiconductores de alto rendimiento.

Los investigadores encontraron que las mediciones de FEM pueden ser significativamente sobrestimadas en transistores de película delgada de óxido (TFT), un dispositivo semiconductor común, debido a la estructura geométrica del dispositivo. Específicamente, identificaron la corriente de borde causada por la geometría del electrodo como el principal culpable.

En un TFT típico, la corriente fluye desde el electrodo de fuente a través de un canal hasta el electrodo de drenaje. Cuando el ancho del canal supera el ancho del electrodo, pueden formarse corrientes de borde, que son corrientes que fluyen fuera de la región principal del canal hacia las áreas circundantes.

Dado que el equipo de medición suma todas las corrientes, incluidas estas corrientes de borde, la FEM resultante parece artificialmente inflada. Esto es similar a medir la velocidad promedio de un vehículo en una autopista mientras se incluyen autos que se desvían hacia los carriles de emergencia, dando una impresión engañosa de la velocidad general del tráfico.

Soluciones propuestas y su impacto en la industria

Para abordar este problema, el equipo estableció nuevos estándares de diseño para los TFT. Recomiendan diseñar el ancho del canal para que sea más estrecho que el ancho del electrodo o, si esto no es posible, asegurarse de que el ancho del electrodo exceda la longitud del dispositivo (L) en al menos 12 veces, es decir, L/W = 1/12.

Al seguir estas directrices, se puede minimizar la influencia de la corriente de borde, permitiendo mediciones precisas de FEM que reflejen verdaderamente el rendimiento del dispositivo. Tanto los datos experimentales como las simulaciones confirmaron que seguir estos estándares elimina la sobreestimación, permitiendo comparaciones precisas de materiales y estructuras de dispositivos.

Además, el equipo recomienda medir la movilidad de Hall junto con la FEM. La movilidad de Hall evalúa las propiedades eléctricas intrínsecas del material semiconductor en sí, independientemente de la geometría del dispositivo, proporcionando una capa adicional de verificación libre de errores estructurales.

El profesor Kim enfatizó: "Las inexactitudes en las mediciones que exageran el rendimiento del dispositivo pueden llevar a juzgar erróneamente materiales prometedores o dificultar comparaciones objetivas, lo que en última instancia obstaculiza el progreso en la industria de semiconductores. Presentar un estándar global para la evaluación precisa de FEM es un paso significativo hacia una investigación más confiable."