Halfgeleiders zijn de hoeksteen van moderne elektronica. Ze worden gebruikt in zonnecellen, lichtemitterende diodes (LED's), microprocessors in laptops en mobiele telefoons, en meer. De meeste zijn gemaakt van silicium, maar silicium heeft zijn beperkingen. Dus al decennia lang onderzoeken onderzoekers nieuwe materialen met eigenschappen die ze goede kandidaten maken voor betere, aansteker, en goedkopere energiezuinige lampen, zonnepanelen, en zelfs - ooit, misschien - zonne-energie-gebruikende "verf".

Om te beslissen of een nieuw materiaal veelbelovend is als halfgeleider of voldoet aan de specificaties van een fabrikant, bedrijven moeten in staat zijn om in wezen het aantal vrij bewegende "ladingsdragers" te tellen die in het materiaal drijven, evenals hun mobiliteit of hoe gemakkelijk ze zich kunnen verplaatsen. Negatieve dragers zijn elektronen; positieve dragers worden "gaten" genoemd en zijn plaatsen waar een elektron ontbreekt. Halfgeleiders zijn typisch gedoteerd met onzuiverheden om het aantal vrije elektronen in één gebied van het materiaal en het aantal vrije gaten in een ander gebied van het materiaal te vergroten, die de halfgeleider een negatieve en positieve kant geeft.

De traditionele manier om ladingsdragerconcentratie te meten, de Hall-methode genoemd, kost wat tijd en vaardigheid:het vereist het met de hand solderen van een reeks metalen elektrische contacten op een wafel van het materiaal, die wafer blootstellen aan een magnetisch veld, een stroom aanleggen, en het meten van een spanning. (Zie animatie.)

Nieuw versus oud:de traditionele test voor het beoordelen van de kwaliteit van een halfgeleider, de Hall-methode genoemd, meet het aantal vrij bewegende ladingsdragers (elektronen en gaten) in een materiaal. Maar het is vrij tijdrovend om uit te voeren. een nieuwe, snellere techniek maakt deze meting door de halfgeleider bloot te stellen aan terahertz (THz) licht, die veel roder is dan het menselijk oog kan zien. Het THz-licht schijnt dwars door puur silicium en andere halfgeleidermaterialen. Maar het wordt geabsorbeerd door de vrij bewegende elektronen en gaten (toegevoegd aan het materiaal door het te doteren met onzuiverheden of door het bloot te stellen aan bepaalde frequenties van licht). Hoe meer ladingsdragers in het materiaal, hoe minder THz-licht door de andere kant schijnt. De methode meet niet alleen hoeveel ladingsdragers er in het materiaal zitten, maar ook hoe gemakkelijk ze zich verplaatsen.

Maar hoewel de Hall-methode goed werkt voor silicium, bij veel veelbelovende exotische materialen werkt het vaak helemaal niet. "De contacten hechten niet, "zegt Ted Heilweil van het NIST Physical Measurement Laboratory (PML). "Je krijgt het spul gewoon niet aan de praat."

Heilweil en zijn NIST-collega's hebben een andere mogelijke optie onderzocht, een methode die helemaal geen elektrische contacten vereist. In plaats daarvan, het gaat om het schijnen van lichtpulsen door een monster van het halfgeleidermateriaal en het meten van de hoeveelheid die aan de andere kant naar buiten komt.

De nieuwe op laser gebaseerde methode meet het aantal ladingsdragers in het materiaal met behulp van terahertz (THz) straling, die een golflengte heeft die veel langer is dan het menselijk oog kan zien, in het verre infrarood tot microgolfbereik. Naar THz-licht, puur silicium en andere halfgeleiders zijn in wezen onzichtbaar. Maar één ding dat dat licht absorbeert, zijn vrij bewegende ladingsdragers. Dus hoe meer vrije elektronen en gaten er in het materiaal zijn, hoe minder licht er door schijnt.

Om te zien hoe goed de nieuwere methode zich verhoudt tot de traditionele Hall-techniek, het NIST-team voerde beide tests uit op een breed scala aan monsterwafels en kristallen, allemaal in de handel verkrijgbaar en onder actieve studie door de industrie. De monsters omvatten zowel pure siliciumwafels als siliciumwafels gedoteerd met verschillende onzuiverheden, evenals stukjes germanium en kristallen van zinktelluride, galliumarsenide, en galliumfosfide. De monsterdiktes varieerden van 300 micrometer tot slechts 4 of 7 micrometer - een fractie van de dikte van een mensenhaar.

Robert Thurber van NIST PML, die tientallen jaren bezig is geweest met het meten van wafels volgens de traditionele methode, elk monster getest met behulp van de Hall-techniek. Vervolgens gaf hij die monsters door aan het laboratorium van Heilweil om te testen met het terahertz-apparaat. NIST National Research Council (NRC) postdoctoraal onderzoeker Brian Alberding werkte ook aan het uitvoeren en analyseren van de optische metingen.

Het resultaat? De optische methode werkt goed, zegt Heilweil. Voor de siliciumwafels, de cijfers van de Hall- en THz-methoden kwamen goed overeen - binnen 50% van elkaar - en kwamen ook over het algemeen overeen met wat in het verleden door andere laboratoria is gepubliceerd. Voor de niet-siliciummonsters waar beide soorten metingen zouden kunnen worden uitgevoerd, de waarden kwamen ook goed overeen, vallen binnen elkaars meetonzekerheden. Dit succes geeft de onderzoekers meer vertrouwen in de THz-metingen die ze hebben gedaan op materialen (zoals zinktelluride) die niet betrouwbaar kunnen worden getest met de Hall-methode.

Het onderzoek is de eerste keer dat voor zover de auteurs weten, dat de nieuwe en oude methoden zijn gebruikt op dezelfde monsters. "Het stoorde me altijd dat er een contactmethode was en een contactloze methode, maar er was geen vergelijking tussen de twee, "zegt Heilweil. "Met deze aanpak, we waren in staat om zeer goede vergelijkingen te maken."

Een bonus van deze methode is dat het kan worden gebruikt om fotodoping te bestuderen, of het gebruik van licht om de geleidbaarheid van een halfgeleider tijdelijk te verhogen. Dit is eigenlijk hoe een zonnecel werkt:de zon verlicht een materiaal en er worden een gelijk aantal elektronen en gaten gegenereerd. Voor dit werk, de NIST-onderzoekers activeerden het materiaal met een tweede lichtstraal met een andere frequentie, afhankelijk van het te onderzoeken materiaal. Vervolgens gebruikten ze de terahertz-straal om hen te vertellen hoeveel vrije elektronen en gaten er waren gegenereerd, evenals hun mobiliteit, of hoe gemakkelijk ze door het materiaal kunnen bewegen.

Naast het toestaan ​​van de beoordeling van materialen die niet eerder konden worden getest, de lasertechniek zou kunnen worden gebruikt voor snellere kwaliteitscontrole van siliciumwafels. op een dag, testen kan net zo eenvoudig zijn als het plaatsen van een monster in een optische lezer en vrijwel onmiddellijk een resultaat krijgen. Dit is potentieel geweldig voor onderzoek en ontwikkeling, Heilweil zegt, omdat bedrijven nieuwe ideeën snel konden testen, apparaten, en materialen om te zien hoe goed ze werken.

Voor nu, Hoewel, de techniek vereist een duur lasersysteem, het zou dus op de markt moeten worden gebracht voordat het in de laboratoria van de meeste fabrikanten kan worden geïntegreerd. In de tussentijd, Heilweil blijft de lasermethode gebruiken om exotische materialen zoals rutheniumoxide, een veelbelovend transparant geleidend materiaal, evenals grafeen en andere geleidende 2D-materialen met lagen op nanoschaal, die ooit zou kunnen worden gebruikt om elektronica op oppervlakken te schilderen. "Ik denk dat als ik op die manier een beetje een deuk in de wetenschappelijke gemeenschap kan maken, het heel cool zou zijn, ' zegt Heilweil.