Кремний, самый известный полупроводник, широко используется в электронных устройств, включая мобильные телефоны, ноутбуки и электронику в машинах. Теперь, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) сделали наиболее чувствительных измерений в курсе, как быстро электрический заряд движется в кремний, датчик своей деятельности в качестве полупроводника. Используя новый метод, они обнаружили, как кремний выполняет при обстоятельствах, за все, что ученые могли проверить прежде, чем … в частности, на уровне сверхнизких электрического заряда. Новые результаты могут подсказать пути дальнейшего совершенствования полупроводниковых материалов и их применения, включая солнечные батареи следующего поколения и высокоскоростных сетей сотовой связи. НИСТ ученые сообщают сегодня их результаты в оптике Экспресс.
В отличие от предыдущих методов, новый метод не требует физического контакта с образцом кремния и позволяет исследователям легко проверить относительно толстых образцов, которые обеспечивают наиболее точные измерения полупроводниковых свойств.
Исследователи из NIST раньше делали доказательство-принцип испытания этого метода с помощью других полупроводников. Но это последнее исследование впервые исследователи противопоставили Новый свет на основе метода от обычных контактов-метод, основанный на кремнии.
Это слишком рано, чтобы точно сказать, как эта работа может быть использована когда-нибудь в промышленности. Но новые результаты исследований могут быть основой для дальнейшей работы направлено на оптимизацию полупроводниковых материалов для различных приложений, включая возможность повышения эффективности солнечных элементов, однофотонных детекторов света, светодиоды и многое другое. Например, измерения сверхбыстрых команда из NIST хорошо подходит для тестов высокоскоростных наноразмерной электроники, таких как те, которые используются в пятого поколения (5 ГГц) беспроводная технология, новейшие цифровые сотовые сети. Кроме того, низкоинтенсивного импульсного света, используемых в данном исследовании имитирует вид низкоинтенсивного света на фотоэлемент будет получать от Солнца.
«Свет мы используем в данном эксперименте аналогично интенсивность света, что солнечная батарея может поглощать солнечный весенний день», — сказал НИСТ Тим Маньянелли. «Поэтому работа потенциально может найти применение, когда-нибудь в улучшении солнечных батарей эффективность.»
Новая техника также, возможно, лучший способ получить фундаментальное понимание того, как движение заряда в кремнии влияет допинг, процесс, общее в датчик освещенности клеток, который включает подмешивающий материала с другим веществом (так называемые «примеси»), что увеличивает проводимость.
Копать Глубоко
Когда исследователи хотят определить, насколько хорошо материал будет выступать в качестве полупроводника, они оценить его проводимость. Один из способов, чтобы измерить проводимость, измеряя его «подвижности носителей заряда,» срок как быстро электрические заряды движутся внутри материала. Отрицательные носители заряда являются электроны; положительные носители называются «дырами» и места, где электрон отсутствует.
Обычный метод для проверки подвижности носителей заряда называется метод зале. Это предполагает паять контакты на образец и прохождения электричества через эти контакты в магнитном поле. Но этот контакт метод имеет и свои недостатки: результат может быть искажен поверхностными примесями или дефектами, или даже проблемы с самими контактами.
Чтобы обойти эти трудности, исследователи из NIST экспериментировали с методом, который использует терагерцовое (ТГц) излучение.
Метод ТГц измерения НИСТ-это быстрый, бесконтактный способ измерения проводимости, которая опирается на два вида света. Во-первых, сверхкоротких импульсов видимого света создать свободно движущихся электронов и дырок в образце-этот процесс называется «photodoping» кремния. Затем, ТГц импульсов с длинами волн намного больше, чем человеческий глаз может видеть, в дальнего инфракрасного до СВЧ-диапазона, блеск на пробу.
В отличие от видимого света, ТГц свет может проникать даже непрозрачные материалы, такие как образцы кремниевых полупроводников. Сколько света проникает и поглощается в образце зависит от того, сколько носителей заряда могут свободно двигаться. Более свободно движущихся носителей заряда, тем выше проводимость материала.
«Никаких контактов для этого нужны измерения», — сказал НИСТ Heilweil химик Тед. «Все, что мы делаем просто со светом».
Найти сладкое пятно
В прошлом, ученые проводили процесс photodoping с помощью одиночных фотонов видимого и ультрафиолетового света.
Проблема с использованием только одного фотона за допинг, хотя, является то, что он обычно проникает только небольшой путь через образец. А поскольку ТГц свет полностью проникает в образец, исследователи могут эффективно использовать этот метод для изучения лишь очень узкие образцов кремния — порядка 10 до 100 миллиардных долей метра толщиной (от 10 до 100 нанометров), что примерно в 10 000 раз тоньше, чем человеческий волос.
Однако, если образец является то, что тонкая, исследователи застряли с некоторыми из таких же проблем как с обычной техникой зал-а именно, дефекты поверхности могут привести к искажению результатов. Чем тоньше образец, тем больше влияние поверхностных дефектов.
Исследователи были разрывается между двумя задачами: увеличивать толщину образцов кремния, или увеличить чувствительность, которые они получают от использования единичных фотонов света.
Решение? Освещать образец с двумя фотонами одновременно вместо одной.
На фоне двух ближних инфракрасных фотонов на кремний, ученые до сих пор только с помощью небольшого количества света. Но этого достаточно, чтобы пройти через гораздо толще образцы, в то же время создавая минимально возможное количество электронов и дырок на кубический сантиметр.
«С двумя фотонами, поглощается сразу, мы можем углубиться в материал, и мы можем увидеть много меньше электронов и дырок, генерируемых», — сказал Маньянелли.
С помощью двух-фотонного измерения означает, что исследователи могут держать уровни энергии как можно меньше, но полностью проникает в образец. Обычные измерения могут разрешить не менее ста триллионов носителей на кубический сантиметр. Используя свой новый метод, группа из NIST решен лишь 10 триллионов, по крайней мере, в 10 раз более чувствительными, более низкий порог для измерения.
Образцы до сих пор изучен толще, чем некоторые другие образцы — толщиной около половины миллиметра. Это достаточно толстым, чтобы избежать проблем поверхностного дефекта.
И в снижении порога для измерения свободных дырок и электронов, ученые из NIST нашли несколько неожиданные результаты:
Других методов было показано, что как ученые создают все меньше и меньше электронов и дырок, их инструменты измерения выше и выше подвижность носителей в образце, но только до определенного момента, после которого плотность носителей становится настолько низким, что плато мобильности. С помощью их бесконтактный метод, исследователи из NIST обнаружил, что на плато происходит при более низкой плотности носителя, чем считалось ранее, и что мобильность на 50% выше, чем измерить раньше.
«Неожиданный результат, как это показывает нам вещи, которых мы не знали раньше о Silicon», — сказал Heilweil. «И хотя это фундаментальная наука, больше узнать о том, как работает кремний может помочь производители устройств использовать его более эффективно. Например, некоторые полупроводники могут работать лучше на более низких уровнях легирования, чем используемые в настоящее время».
Исследователи также использовали эту технику на арсенид галлия (Gaas), другой популярный светочувствительного полупроводника, чтобы продемонстрировать, что их результаты не являются уникальными для кремния. В Gaas, они обнаружили, что подвижность носителей продолжает расти с более низкой плотностью заряда носителя, примерно в 100 раз ниже, чем обычно принято ограничивать.
Будущее НИСТ работа может быть сосредоточена на применении разных методов photodoping образцам, а также изменения температуры образцов. Экспериментируя с толщиной образцов, может дать еще более удивительные результаты в полупроводниках. «Когда мы используем двухфотонного метода на более толстые образцы, мы можем произвести еще более низких плотностей перевозчика, то мы можем зонд с ТГц импульсов», — сказал Heilweil.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!