Forskere foretager de mest følsomme målinger til dato af siliciums ledningsevne

Silicium, den mest kendte halvleder, er allestedsnærværende i elektroniske enheder, herunder mobiltelefoner, bærbare computere og elektronikken i biler. Nu, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har foretaget de mest følsomme målinger til dato for, hvor hurtigt elektrisk ladning bevæger sig i silicium, en måler på dens ydeevne som halvleder. Ved hjælp af en ny metode, de har opdaget, hvordan silicium klarer sig under omstændigheder ud over alt, hvad forskere kunne teste før - specifikt ved ultralave niveauer af elektrisk ladning. De nye resultater kan foreslå måder til yderligere at forbedre halvledermaterialer og deres anvendelser, herunder solceller og næste generations højhastigheds-mobilnetværk. NIST -forskerne rapporterer deres resultater i dag i Optik Express .

I modsætning til tidligere teknikker, den nye metode kræver ikke fysisk kontakt med siliciumprøven og giver forskere mulighed for let at teste relativt tykke prøver, som muliggør de mest nøjagtige målinger af halvlederegenskaber.

NIST-forskerne havde tidligere udført en proof-of-princip-test af denne metode ved hjælp af andre halvledere. Men denne seneste undersøgelse er første gang, forskere har sat den nye lysbaserede teknik mod den konventionelle kontaktbaserede metode til silicium.

Det er for tidligt at sige præcis, hvordan dette arbejde en dag kan bruges af industrien. Men de nye fund kan være et fundament for fremtidigt arbejde med fokus på at lave bedre halvledende materialer til en række forskellige applikationer, herunder potentielt forbedret effektivitet i solceller, enkelt-foton lysdetektorer, LED og mere. For eksempel, NIST-teamets ultrahurtige målinger er velegnede til test af nanoskalaelektronik med høj hastighed, f.eks. dem, der bruges i femte generations (5G) trådløs teknologi, de nyeste digitale mobilnetværk. Ud over, det lavintensive pulserende lys, der bruges i denne undersøgelse, simulerer den slags lavintensitetslys, en solcelle ville modtage fra solen.

"Det lys, vi bruger i dette eksperiment, ligner intensiteten af ​​lys, som en solcelle kan absorbere på en solrig forårsdag, "sagde NISTs Tim Magnanelli." Så arbejdet kan muligvis finde applikationer en dag i at forbedre solcelleeffektiviteten. "

Den nye teknik er også uden tvivl den bedste måde at få en grundlæggende forståelse af, hvordan ladningens bevægelse i silicium påvirkes af doping, en proces, der er almindelig i lyssensorceller, der involverer forfalskning af materialet med et andet stof (kaldet et "dopant"), der øger ledningsevnen.

Graver dybt

Når forskere vil bestemme, hvor godt et materiale vil fungere som en halvleder, de vurderer dets ledningsevne. En måde at måle ledningsevne på er ved at måle dens "ladningsbærermobilitet, "betegnelsen for, hvor hurtigt elektriske ladninger bevæger sig rundt i et materiale. Negative ladningsbærere er elektroner; positive bærere omtales som" huller "og er steder, hvor en elektron mangler.

Den konventionelle teknik til test af ladningsbærermobilitet kaldes Hall -metoden. Dette indebærer lodning af kontakter på prøven og passage af elektricitet gennem disse kontakter i et magnetisk felt. Men denne kontaktbaserede metode har ulemper:Resultaterne kan være skævt på grund af urenheder eller defekter, eller endda problemer med selve kontakterne.

For at komme uden om disse udfordringer, NIST -forskere har eksperimenteret med en metode, der bruger terahertz (THz) stråling.

NISTs THz -målemetode er en hurtig, ikke -kontakt måde at måle ledningsevne, der er afhængig af to slags lys. Først, ultrakorte pulser af synligt lys skaber frit bevægelige elektroner og huller i en prøve - en proces kaldet "fotodopering" af silicium. Derefter, THz pulser, med bølgelængder meget længere end det menneskelige øje kan se, i det fjerne infrarøde til mikrobølgeområde, skinne på prøven.

I modsætning til synligt lys, THz lys kan trænge igennem selv uigennemsigtige materialer såsom silicium halvlederprøver. Hvor meget af det lys, der trænger ind eller absorberes af prøven, afhænger af, hvor mange ladningsbærere der frit kan bevæge sig. De mere frit bevægelige ladningsbærere, jo højere materialets ledningsevne.

"Ingen kontakter er nødvendige for denne måling, "sagde NIST -kemiker Ted Heilweil." Alt, hvad vi gør, er bare med lys. "

At finde det søde sted

I fortiden, forskere udførte fotodoperingsprocessen ved hjælp af enkelte fotoner af synligt eller ultraviolet lys.

Problemet med kun at bruge en foton til doping, selvom, er, at den typisk kun trænger igennem en lille vej gennem prøven. Og da THz -lyset helt trænger ind i prøven, forskere kan effektivt bruge denne metode til kun at studere meget tynde siliciumprøver - i størrelsesordenen 10 til 100 milliarder af en meter tyk (10 til 100 nanometer), omkring 10, 000 gange tyndere end et menneskehår.

Imidlertid, hvis prøven er så tynd, forskere sidder fast med nogle af de samme problemer som med den konventionelle Hall -teknik - nemlig, overfladefejl kan skæve resultaterne. Jo tyndere prøven, jo større påvirkning af overfladefejl.

Forskerne blev splittet mellem to mål:Forøg tykkelsen af ​​siliciumprøverne, eller øge følsomheden, de får ved at bruge enkeltfotoner af lys.

Løsningen? Oplys prøven med to fotoner på én gang i stedet for en ad gangen.

Ved at skinne to nær-infrarøde fotoner på silicium, forskere bruger stadig kun en lille mængde lys. Men det er nok at komme igennem meget tykkere prøver, mens man stadig skaber færrest mulige elektroner og huller pr. Kubikcentimeter.

"Med to fotoner absorberet på én gang, vi kan komme dybere ind i materialet, og vi kan se meget færre elektroner og huller genereret, "Sagde Magnanelli.

Ved hjælp af en to-foton måling betyder, at forskerne kan holde effektniveauerne så lave som muligt, men trænger stadig helt ind i prøven. En konventionel måling kan løse ikke færre end hundrede billioner bærere pr. Kubikcentimeter. Ved hjælp af sin nye metode, NIST -teamet løste kun 10 billioner, mindst 10 gange mere følsomhed - en lavere tærskel for måling.

De hidtil undersøgte prøver er tykkere end nogle andre prøver - cirka en halv millimeter tykke. Det er tykt nok til at undgå problemer med overfladefejl.

Og ved at sænke tærsklen for måling af frie huller og elektroner, NIST -forskerne fandt et par overraskende resultater:

Andre metoder havde vist, at efterhånden som forskere skaber færre og færre elektroner og huller, deres instrumenter måler højere og højere bærermobilitet i prøven - men kun op til et punkt, hvorefter bæreevnen bliver så lav, at mobilitetsplatæerne. Ved at bruge deres noncontact -metode, NIST -forskere fandt ud af, at plateauet forekommer ved en lavere bærertæthed end tidligere antaget, og at mobiliteten er 50% højere end målt før.

"Et uventet resultat som dette viser os ting, vi ikke vidste om silicium før, "Sagde Heilweil." Og selvom dette er grundlæggende videnskab, lære mere om, hvordan silicium fungerer, kan hjælpe enhedsproducenter med at bruge det mere effektivt. For eksempel, nogle halvledere fungerer muligvis bedre ved lavere dopingniveauer end i øjeblikket bruges. "

Forskerne brugte også denne teknik på galliumarsenid (GaA'er), en anden populær lysfølsom halvleder, for at demonstrere, at deres resultater ikke er unikke for silicium. I GaA'er, de fandt ud af, at transportørens mobilitet fortsætter med at stige med lavere ladningsbærertæthed, omkring 100 gange lavere end den konventionelt accepterede grænse.

Fremtidigt NIST -arbejde kan fokusere på at anvende forskellige fotodopingsteknikker på prøver, samt at variere prøvenes temperatur. Eksperimenter med tykkere prøver kan give endnu mere overraskende resultater i halvledere. "Når vi bruger to-foton-metoden på tykkere prøver, kan vi producere endnu lavere bærertætheder, som vi derefter kan sondre med THz-pulserne, "Sagde Heilweil.