Kisel, den mest kända halvledaren, är allestädes närvarande i elektroniska enheter inklusive mobiltelefoner, bärbara datorer och elektroniken i bilar. Nu, Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har gjort de mest känsliga mätningarna hittills av hur snabbt elektrisk laddning rör sig i kisel, en mätare av dess prestanda som halvledare. Med hjälp av en ny metod, de har upptäckt hur kisel fungerar under omständigheter utöver allt som forskare kunde testa tidigare – specifikt, vid ultralåga nivåer av elektrisk laddning. De nya resultaten kan föreslå sätt att ytterligare förbättra halvledarmaterial och deras tillämpningar, inklusive solceller och nästa generations höghastighetsmobilnät. NIST-forskarna rapporterar sina resultat idag i Optik Express .

Till skillnad från tidigare tekniker, den nya metoden kräver ingen fysisk kontakt med kiselprovet och gör det möjligt för forskare att enkelt testa relativt tjocka prover, som möjliggör de mest exakta mätningarna av halvledaregenskaper.

NIST-forskarna hade tidigare gjort ett proof-of-principle-test av denna metod med hjälp av andra halvledare. Men denna senaste studie är första gången forskare har ställt den nya ljusbaserade tekniken mot den konventionella kontaktbaserade metoden för kisel.

Det är för tidigt att säga exakt hur detta arbete en dag kan komma att användas av industrin. Men de nya rönen kan vara en grund för framtida arbete fokuserat på att göra bättre halvledande material för en mängd olika applikationer, inklusive potentiellt förbättrad effektivitet i solceller, enkelfotonljusdetektorer, Lysdioder och mer. Till exempel, NIST-teamets ultrasnabba mätningar är väl lämpade för tester av höghastighetselektronik i nanoskala som de som används i femte generationens (5G) trådlös teknik, de senaste digitala mobilnäten. Dessutom, det lågintensiva pulserande ljuset som används i denna studie simulerar den typ av lågintensivt ljus som en solcell skulle ta emot från solen.

"Ljuset vi använder i det här experimentet liknar intensiteten av ljus som en solcell kan absorbera en solig vårdag, " sa NIST:s Tim Magnanelli. "Så arbetet skulle potentiellt kunna hitta tillämpningar en dag för att förbättra solcellseffektiviteten."

Den nya tekniken är också utan tvekan det bästa sättet att få en grundläggande förståelse för hur laddningsrörelsen i kisel påverkas av dopning, en process som är vanlig i ljussensorceller som innebär att materialet förvanskas med ett annat ämne (kallat "dopant") som ökar konduktiviteten.

Gräva djupt

När forskare vill avgöra hur väl ett material kommer att fungera som en halvledare, de bedömer dess ledningsförmåga. Ett sätt att mäta konduktivitet är genom att mäta dess "laddningsbärares rörlighet, " termen för hur snabbt elektriska laddningar rör sig inom ett material. Negativa laddningsbärare är elektroner; positiva bärare kallas för "hål" och är platser där en elektron saknas.

Den konventionella tekniken för att testa laddningsbärares rörlighet kallas Hall-metoden. Detta involverar lödning av kontakter på provet och passerar elektricitet genom dessa kontakter i ett magnetfält. Men den här kontaktbaserade metoden har nackdelar:Resultaten kan skeva av ytföroreningar eller defekter, eller till och med problem med själva kontakterna.

För att komma runt dessa utmaningar, NIST-forskare har experimenterat med en metod som använder terahertz (THz) strålning.

NIST:s THz-mätmetod är en snabb, beröringsfritt sätt att mäta konduktivitet som är beroende av två typer av ljus. Först, ultrakorta pulser av synligt ljus skapar fritt rörliga elektroner och hål i ett prov - en process som kallas "fotodoping" av kislet. Sedan, THz pulser, med våglängder mycket längre än det mänskliga ögat kan se, i det långt infraröda till mikrovågsområdet, lysa på provet.

Till skillnad från synligt ljus, THz-ljus kan penetrera även ogenomskinliga material som kiselhalvledarprover. Hur mycket av det ljuset som penetrerar eller absorberas av provet beror på hur många laddningsbärare som rör sig fritt. De mer fritt rörliga laddbärarna, desto högre är materialets konduktivitet.

"Inga kontakter behövs för denna mätning, " sa NIST-kemist Ted Heilweil. "Allt vi gör är bara med ljus."

Att hitta den söta platsen

Förr, forskare utförde fotodopingprocessen med enstaka fotoner av synligt eller ultraviolett ljus.

Problemet med att bara använda en foton för dopning, fastän, är att det vanligtvis bara tränger en liten bit genom provet. Och eftersom THz-ljuset helt penetrerar provet, forskare kan effektivt använda denna metod för att studera endast mycket magra kiselprover - i storleksordningen 10 till 100 miljarddels meter tjocka (10 till 100 nanometer), ca 10, 000 gånger tunnare än ett människohår.

Dock, om provet är så tunt, forskare har fastnat med några av samma problem som med den konventionella Hall-tekniken – nämligen ytdefekter kan förvränga resultatet. Ju tunnare provet är, desto större påverkan av ytdefekter.

Forskarna slets mellan två mål:Öka tjockleken på kiselproverna, eller öka känsligheten de får av att använda enstaka fotoner av ljus.

Lösningen? Belys provet med två fotoner på en gång istället för en i taget.

Genom att lysa två nära-infraröda fotoner på kisel, forskare använder fortfarande bara en liten mängd ljus. Men det räcker för att ta sig igenom mycket tjockare prover samtidigt som man skapar minsta möjliga elektroner och hål per kubikcentimeter.

"Med två fotoner som absorberas samtidigt, vi kan komma djupare in i materialet och vi kan se mycket färre elektroner och hål genereras, sa Magnanelli.

Att använda en tvåfotonmätning innebär att forskarna kan hålla effektnivåerna så låga som möjligt, men ändå helt penetrera provet. En konventionell mätning kan lösa inte mindre än hundra biljoner bärare per kubikcentimeter. Med sin nya metod, NIST-teamet löste bara 10 biljoner, minst 10 gånger högre känslighet – en lägre tröskel för mätning.

De prover som hittills studerats är tjockare än vissa andra prover - cirka en halv millimeter tjocka. Den är tillräckligt tjock för att undvika problem med ytdefekter.

Och när man sänker tröskeln för att mäta fria hål och elektroner, NIST-forskarna hittade ett par överraskande resultat:

Andra metoder hade visat att när forskare skapar färre och färre elektroner och hål, deras instrument mäter högre och högre bärarrörlighet i provet – men bara upp till en punkt, varefter bärartätheten blir så låg att rörlighetsplatåerna. Genom att använda deras icke-kontaktmetod, NIST-forskare fann att platån förekommer med en lägre bärartäthet än vad man tidigare trott, och att rörligheterna är 50 % högre än uppmätt tidigare.

"Ett oväntat resultat som detta visar oss saker vi inte visste om kisel tidigare, ", sa Heilweil. "Och även om detta är grundläggande vetenskap, att lära sig mer om hur kisel fungerar kan hjälpa enhetstillverkare att använda det mer effektivt. Till exempel, vissa halvledare kan fungera bättre vid lägre dopingnivåer än vad som för närvarande används."

Forskarna använde också denna teknik på galliumarsenid (GaAs), en annan populär ljuskänslig halvledare, för att visa att deras resultat inte är unika för kisel. I GaAs, de fann att bärarrörligheten fortsätter att öka med lägre laddningsbärartäthet, cirka 100 gånger lägre än den konventionellt accepterade gränsen.

Framtida NIST-arbete kan fokusera på att tillämpa olika fotodopingtekniker på prover, samt att variera provernas temperatur. Att experimentera med tjockare prover kan ge ännu mer överraskande resultat i halvledare. "När vi använder två-fotonmetoden på tjockare prover kan vi producera ännu lägre bärardensiteter som vi sedan kan sondera med THz-pulserna, sa Heilweil.