Test af halvlederes ydeevne - med lys

Halvledere er grundstenen i moderne elektronik. De bruges i solceller, lysdioder (lysdioder), mikroprocessorer i bærbare computere og mobiltelefoner, og mere. De fleste af dem er lavet af silicium, men silicium har sine begrænsninger. Så i årtier har forskere undersøgt nye materialer med egenskaber, der gør dem til gode kandidater til bedre, lettere, og billigere energieffektive lamper, solceller, og endda - en dag, måske-solenergiudnyttende "maling".

For at afgøre, om et nyt materiale har løfte som halvleder eller opfylder producentens specifikationer, virksomheder skal i det væsentlige kunne tælle antallet af frit bevægelige "ladningsbærere", der flyder inden i materialet, såvel som deres mobilitet eller hvor let de er i stand til at bevæge sig. Negative bærere er elektroner; positive bærere betegnes som "huller" og er steder, hvor der mangler en elektron. Halvledere er typisk dopet med urenheder for at øge antallet af frie elektroner i et område af materialet og antallet af frie huller i et andet område af materialet, hvilket giver halvlederen en negativ og positiv side.

Den traditionelle måde at måle ladningsbærerkoncentration på, kaldet Hall -metoden, tager lidt tid og dygtighed:det kræver håndlodning af en række elektriske metalkontakter på en skive af materialet, udsætter denne skive for et magnetfelt, anvende en strøm, og måling af en spænding. (Se animation.)

Nyt vs. gammelt:Den traditionelle test til vurdering af kvaliteten af ​​en halvleder, kaldet Hall -metoden, måler antallet af frit bevægelige ladningsbærere (elektroner og huller) i et materiale. Men det er ret tidskrævende at udføre. En ny, hurtigere teknik foretager denne måling ved at udsætte halvlederen for terahertz (THz) lys, som er meget rødere end det menneskelige øje kan se. THz -lyset skinner lige igennem rent silicium og andre halvledermaterialer. Men den absorberes af de frit bevægelige elektroner og huller (tilføjes til materialet ved at doping det med urenheder eller ved at udsætte det for visse lysfrekvenser). Jo flere ladningsbærere i materialet, jo mindre THz lys skinner gennem den anden side. Metoden måler ikke kun, hvor mange ladningsbærere der er i materialet, men også hvor let de bevæger sig rundt.

Men mens Hall -metoden fungerer godt for silicium, det virker ofte slet ikke for mange lovende eksotiske materialer. "Kontakterne hænger ikke sammen, "siger Ted Heilweil fra NIST Physical Measurement Laboratory (PML)." Du kan bare ikke få tingene til at hænge fast. "

Heilweil og hans NIST -kolleger har undersøgt en anden potentiel mulighed, en metode, der slet ikke kræver nogen elektriske kontakter. I stedet, det indebærer at skinne lyspulser gennem en prøve af halvledermaterialet og måle mængden, der kommer ud på den anden side.

Den nye laserbaserede metode måler antallet af ladningsbærere i materialet ved hjælp af terahertz (THz) stråling, som har en bølgelængde meget længere end det menneskelige øje kan se, i det fjerne infrarøde til mikrobølgeområde. Til THz lys, rent silicium og andre halvledere er i det væsentlige usynlige. Men en ting, der absorberer det lys, er frit bevægelige ladningsbærere. Så jo flere frie elektroner og huller der er i materialet, jo mindre lys skinner igennem.

For at se, hvor godt den nyere metode måler op mod den traditionelle Hall -teknik, NIST -teamet udførte begge test på en bred vifte af prøveplader og krystaller, alle kommercielt tilgængelige og under aktiv undersøgelse af industrien. Prøverne omfattede både rene siliciumskiver og siliciumskiver dopet med forskellige urenheder, samt stykker germanium og krystaller af zink tellurid, gallium arsenid, og galliumphosphid. Prøvetykkelserne varierede fra 300 mikrometer til kun 4 eller 7 mikrometer - en brøkdel af tykkelsen af ​​et menneskehår.

NIST PML's Robert Thurber, som har brugt årtier på at måle skiver ved hjælp af den traditionelle metode, testet hver prøve ved hjælp af Hall -teknikken. Derefter sendte han disse prøver til Heilweils laboratorium til test med terahertz -apparatet. NIST National Research Council (NRC) postdoktoralforsker Brian Alberding arbejdede også med at udføre og analysere de optiske målinger.

Resultatet? Den optiske metode fungerer godt, Siger Heilweil. Til siliciumplader, tallene fra Hall- og THz -metoderne var i god overensstemmelse - inden for 50% af hinanden - og matchede også generelt det, der tidligere er blevet offentliggjort af andre laboratorier. For ikke-siliciumprøver, hvor begge målingstyper kan udføres, værdierne var også i god overensstemmelse, falder inden for hinandens måleusikkerhed. Denne succes giver forskerne større tillid til de THz -målinger, de foretog på materialer (såsom zink -tellurid), der ikke kan testes pålideligt ved hjælp af Hall -metoden.

Undersøgelsen repræsenterer første gang, efter forfatterens viden, at de nye og gamle metoder er blevet brugt på de samme prøver. ”Det generede mig altid, at der var en kontaktmetode og en kontaktfri metode, men der var ingen sammenligning mellem de to, "Siger Heilweil." Ved hjælp af denne tilgang, vi var i stand til at lave meget gode sammenligninger. "

En bonus for denne metode er, at den kan bruges til at studere fotodoping, eller brug af lys til midlertidigt at øge en halvlederes ledningsevne. Det er dybest set sådan en solcelle fungerer:Solen belyser et materiale, og der genereres et lige antal elektroner og huller. Til dette arbejde, NIST -forskerne aktiverede materialet ved hjælp af en anden lysstråle med en anden frekvens, afhængig af, at materialet undersøges. De brugte derefter terahertz -strålen til at fortælle dem, hvor mange frie elektroner og huller der blev genereret, såvel som deres mobilitet, eller hvor let de kan bevæge sig gennem materialet.

Ud over at tillade vurdering af materialer, der ikke kunne testes før, laserteknikken kunne bruges til hurtigere kvalitetskontrolarbejde til siliciumskiver. En skønne dag, test kan være lige så let som at indsætte en prøve i en optisk læser og få et resultat næsten med det samme. Dette er potentielt godt til forskning og udvikling, Heilweil siger, fordi virksomheder hurtigt kunne teste nye ideer, enheder, og materialer for at se, hvor godt de fungerer.

For nu, selvom, teknikken kræver et dyrt lasersystem, så det skulle kommercialiseres, før det kunne integreres i de fleste producenters laboratorier. I mellemtiden, Heilweil fortsætter med at bruge lasermetoden til at studere eksotiske materialer såsom rutheniumoxid, et lovende gennemsigtigt ledende materiale, samt grafen og andre ledende 2-D materialer med nanoskala lag, som en dag kunne bruges til at male elektronik på overflader. "Jeg tror, ​​at hvis jeg kan få en lille buet i det videnskabelige samfund på den måde, ville det være meget fedt, "Siger Heilweil.