Silicium, de bekendste halfgeleider, is alomtegenwoordig in elektronische apparaten, waaronder mobiele telefoons, laptops en de elektronica in auto's. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben tot nu toe de meest gevoelige metingen gedaan van hoe snel elektrische lading in silicium beweegt, een graadmeter voor zijn prestaties als halfgeleider. Met behulp van een nieuwe methode, ze hebben ontdekt hoe silicium presteert onder omstandigheden die verder gaan dan wat wetenschappers eerder konden testen - in het bijzonder, bij ultralage niveaus van elektrische lading. De nieuwe resultaten kunnen wijzen op manieren om halfgeleidermaterialen en hun toepassingen verder te verbeteren, waaronder zonnecellen en ultrasnelle mobiele netwerken van de volgende generatie. De NIST-wetenschappers rapporteren hun resultaten vandaag in: Optica Express .

In tegenstelling tot eerdere technieken, de nieuwe methode vereist geen fysiek contact met het siliciummonster en stelt onderzoekers in staat om relatief dikke exemplaren gemakkelijk te testen, die de meest nauwkeurige metingen van halfgeleidereigenschappen mogelijk maken.

De NIST-onderzoekers hadden eerder een proof-of-principle-test gedaan van deze methode met andere halfgeleiders. Maar deze laatste studie is de eerste keer dat onderzoekers de nieuwe op licht gebaseerde techniek hebben afgezet tegen de conventionele op contact gebaseerde methode voor silicium.

Het is te vroeg om precies te zeggen hoe dit werk ooit door de industrie kan worden gebruikt. Maar de nieuwe bevindingen kunnen een basis vormen voor toekomstig werk gericht op het maken van betere halfgeleidende materialen voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief potentieel verbeterende efficiëntie in zonnecellen, enkel-foton lichte detectoren, LED's en meer. Bijvoorbeeld, de ultrasnelle metingen van het NIST-team zijn zeer geschikt voor het testen van high-speed elektronica op nanoschaal, zoals die wordt gebruikt in draadloze technologie van de vijfde generatie (5G), de nieuwste digitale mobiele netwerken. In aanvulling, het gepulseerde licht van lage intensiteit dat in dit onderzoek is gebruikt, simuleert het soort licht van lage intensiteit dat een zonnecel van de zon zou ontvangen.

"Het licht dat we in dit experiment gebruiken, is vergelijkbaar met de intensiteit van het licht dat een zonnecel op een zonnige lentedag kan absorberen, "Zei Tim Magnanelli van NIST. "Dus het werk zou op een dag mogelijk toepassingen kunnen vinden bij het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen."

De nieuwe techniek is waarschijnlijk ook de beste manier om een ​​fundamenteel begrip te krijgen van hoe de beweging van lading in silicium wordt beïnvloed door doping. een proces dat veel voorkomt in lichtsensorcellen en waarbij het materiaal wordt vervalst met een andere stof (een "doteringsmiddel" genoemd) die de geleidbaarheid verhoogt.

Diep graven

Wanneer onderzoekers willen bepalen hoe goed een materiaal zal presteren als halfgeleider, ze beoordelen de geleidbaarheid ervan. Een manier om geleidbaarheid te meten is door de "ladingsdragermobiliteit, " de term voor hoe snel elektrische ladingen binnen een materiaal bewegen. Negatieve ladingsdragers zijn elektronen; positieve dragers worden "gaten" genoemd en zijn plaatsen waar een elektron ontbreekt.

De conventionele techniek voor het testen van de mobiliteit van ladingsdragers wordt de Hall-methode genoemd. Dit omvat het solderen van contacten op het monster en het geleiden van elektriciteit door die contacten in een magnetisch veld. Maar deze op contact gebaseerde methode heeft nadelen:de resultaten kunnen vertekend zijn door onzuiverheden of defecten aan het oppervlak, of zelfs problemen met de contacten zelf.

Om deze uitdagingen te omzeilen, NIST-onderzoekers hebben geëxperimenteerd met een methode die gebruik maakt van terahertz (THz) straling.

De THz-meetmethode van NIST is een snelle, contactloze manier om geleidbaarheid te meten die afhankelijk is van twee soorten licht. Eerst, ultrakorte pulsen van zichtbaar licht creëren vrij bewegende elektronen en gaten in een monster - een proces dat het silicium "fotodoping" wordt genoemd. Vervolgens, THz-pulsen, met golflengten die veel langer zijn dan het menselijk oog kan zien, in het verre infrarood tot microgolfbereik, glans op het monster.

In tegenstelling tot zichtbaar licht, THz-licht kan zelfs doordringen in ondoorzichtige materialen zoals monsters van siliciumhalfgeleiders. Hoeveel van dat licht door het monster dringt of wordt geabsorbeerd, hangt af van hoeveel ladingsdragers vrij bewegen. Hoe vrijer bewegende ladingsdragers, hoe hoger de geleidbaarheid van het materiaal.

"Voor deze meting zijn geen contacten nodig, " zei NIST-chemicus Ted Heilweil. "Alles wat we doen is gewoon met licht."

De zoete plek vinden

Vroeger, onderzoekers voerden het photodoping-proces uit met behulp van enkele fotonen van zichtbaar of ultraviolet licht.

Het probleem met het gebruik van slechts één foton voor doping, Hoewel, is dat het meestal maar een klein stukje door het monster dringt. En aangezien het THz-licht het monster volledig doordringt, onderzoekers kunnen deze methode effectief gebruiken om alleen zeer dunne siliciummonsters te bestuderen - in de orde van 10 tot 100 miljardste van een meter dik (10 tot 100 nanometer), ongeveer 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

Echter, als het monster zo dun is, onderzoekers zitten met een aantal van dezelfde problemen als met de conventionele Hall-techniek, namelijk oppervlaktedefecten kunnen de resultaten vertekenen. Hoe dunner het monster, hoe groter de impact van oppervlaktedefecten.

De onderzoekers werden verscheurd tussen twee doelen:de dikte van de siliciummonsters vergroten, of verhoog de gevoeligheid die ze krijgen door het gebruik van enkele fotonen van licht.

De oplossing? Verlicht het monster met twee fotonen tegelijk in plaats van één tegelijk.

Door twee nabij-infrarode fotonen op het silicium te laten schijnen, wetenschappers gebruiken nog maar een kleine hoeveelheid licht. Maar het is voldoende om door veel dikkere monsters heen te komen en toch zo min mogelijk elektronen en gaten per kubieke centimeter te creëren.

"Met twee fotonen die tegelijk worden geabsorbeerd, we kunnen dieper in het materiaal komen en we kunnen veel minder elektronen en gaten zien ontstaan, ' zei Magnanelli.

Met behulp van een twee-fotonmeting kunnen de onderzoekers de vermogensniveaus zo laag mogelijk houden, maar toch volledig doordringen in het monster. Een conventionele meting kan maar liefst honderd biljoen dragers per kubieke centimeter oplossen. Met behulp van zijn nieuwe methode, het NIST-team loste slechts 10 biljoen op, minstens 10 keer meer gevoeligheid - een lagere drempel voor meting.

De tot nu toe bestudeerde monsters zijn dikker dan sommige andere monsters - ongeveer een halve millimeter dik. Dat is dik genoeg om problemen met oppervlaktedefecten te voorkomen.

En bij het verlagen van de drempel voor het meten van vrije gaten en elektronen, de NIST-onderzoekers vonden een aantal verrassende resultaten:

Andere methoden hadden aangetoond dat naarmate onderzoekers steeds minder elektronen en gaten creëren, hun instrumenten meten een steeds grotere mobiliteit van dragers in de steekproef, maar slechts tot op zekere hoogte, waarna de dragerdichtheid zo laag wordt dat de mobiliteit plateaus. Door hun contactloze methode te gebruiken, NIST-onderzoekers ontdekten dat het plateau optreedt bij een lagere dragerdichtheid dan eerder werd gedacht, en dat de mobiliteiten 50% hoger zijn dan eerder gemeten.

"Een onverwacht resultaat als dit laat ons dingen zien die we nog niet wisten over silicium, " zei Heilweil. "En hoewel dit fundamentele wetenschap is, meer leren over hoe silicium werkt, kan apparaatmakers helpen het effectiever te gebruiken. Bijvoorbeeld, sommige halfgeleiders werken mogelijk beter bij lagere dopingniveaus dan momenteel wordt gebruikt."

De onderzoekers gebruikten deze techniek ook op galliumarsenide (GaAs), een andere populaire lichtgevoelige halfgeleider, om aan te tonen dat hun resultaten niet uniek zijn voor silicium. In GaAs, ze ontdekten dat de dragermobiliteit blijft toenemen met een lagere ladingsdragerdichtheid, ongeveer 100 keer lager dan de conventioneel aanvaarde limiet.

Toekomstig NIST-werk zou zich kunnen richten op het toepassen van verschillende fotodopingtechnieken op monsters, evenals het variëren van de temperatuur van de monsters. Experimenteren met dikkere monsters kan nog verrassendere resultaten opleveren in halfgeleiders. "Als we de twee-fotonmethode gebruiken op dikkere monsters, kunnen we nog lagere dragerdichtheden produceren die we vervolgens kunnen onderzoeken met de THz-pulsen, ' zei Heilweil.