Campioni di vari materiali testati nello studio NIST. In senso orario dal centesimo:un wafer di silicio con il centro tagliato, fosfuro di gallio, silicio (croce), germanio, e tellururo di zinco.
I semiconduttori sono la pietra angolare dell'elettronica moderna. Sono utilizzati nelle celle solari, diodi emettitori di luce (LED), microprocessori in laptop e telefoni cellulari, e altro ancora. La maggior parte sono fatti di silicio, ma il silicio ha i suoi limiti. Quindi per decenni i ricercatori hanno esplorato nuovi materiali con proprietà che li rendono buoni candidati per migliori, accendino, e lampade a basso consumo energetico, celle solari, e anche – un giorno, forse - "vernice" che sfrutta l'energia solare.
Per decidere se un nuovo materiale è promettente come semiconduttore o soddisfa le specifiche del produttore, le aziende devono essere in grado di contare essenzialmente il numero di "portatori di carica" che si muovono liberamente e che galleggiano all'interno del materiale, così come la loro mobilità o la facilità con cui sono in grado di muoversi. I portatori negativi sono gli elettroni; i portatori positivi sono indicati come "buchi" e sono luoghi in cui manca un elettrone. I semiconduttori sono tipicamente drogati con impurità per aumentare il numero di elettroni liberi in un'area del materiale e il numero di buchi liberi in un'altra area del materiale, che dà al semiconduttore un lato negativo e uno positivo.
Il modo tradizionale di misurare la concentrazione dei portatori di carica, chiamato metodo di Hall, richiede tempo e abilità:richiede la saldatura a mano di una serie di contatti elettrici metallici su una fetta di materiale, esponendo quel wafer a un campo magnetico, applicando una corrente, e misurare una tensione. (Vedi animazione.)
Nuovo contro vecchio:il test tradizionale per valutare la qualità di un semiconduttore, chiamato metodo di Hall, misura il numero di portatori di carica che si muovono liberamente (elettroni e fori) in un materiale. Ma è abbastanza dispendioso in termini di tempo per l'esecuzione. Una nuova, la tecnica più rapida effettua questa misurazione esponendo il semiconduttore a luce terahertz (THz), che è molto più rosso di quanto l'occhio umano possa vedere. La luce THz brilla direttamente attraverso il silicio puro e altri materiali semiconduttori. Ma viene assorbito dagli elettroni e dalle lacune che si muovono liberamente (aggiunti al materiale drogandolo con impurità o esponendolo a determinate frequenze di luce). Più portatori di carica nel materiale, meno luce THz risplende dall'altra parte. Il metodo misura non solo quanti portatori di carica ci sono nel materiale, ma anche quanto facilmente si muovono.
Ma mentre il metodo Hall funziona bene per il silicio, spesso non funziona affatto per molti materiali esotici promettenti. "I contatti non aderiscono, " dice Ted Heilweil del NIST Physical Measurement Laboratory (PML). "Non puoi far attaccare la roba".
Heilweil e i suoi colleghi del NIST hanno esplorato un'altra potenziale opzione, un metodo che non richiede alcun contatto elettrico. Anziché, si tratta di far brillare impulsi di luce attraverso un campione del materiale semiconduttore e misurare la quantità che fuoriesce dall'altra parte.
Il nuovo metodo basato su laser misura il numero di portatori di carica nel materiale utilizzando radiazioni terahertz (THz), che ha una lunghezza d'onda molto più lunga di quella che l'occhio umano può vedere, nel lontano infrarosso a microonde. a THz luce, il silicio puro e altri semiconduttori sono essenzialmente invisibili. Ma una cosa che assorbe quella luce è il movimento libero dei portatori di carica. Quindi più elettroni e buchi liberi ci sono nel materiale, meno luce traspare.
Per vedere come il nuovo metodo si confronta con la tradizionale tecnica di Hall, il team del NIST ha eseguito entrambi i test su un'ampia gamma di wafer e cristalli campione, tutti disponibili in commercio e in fase di studio attivo da parte dell'industria. I campioni includevano sia wafer di silicio puro che wafer di silicio drogati con varie impurità, oltre a pezzi di germanio e cristalli di tellururo di zinco, arseniuro di gallio, e fosfuro di gallio. Gli spessori del campione variavano da 300 micrometri a soli 4 o 7 micrometri, una frazione dello spessore di un capello umano.
Robert Thurber del NIST PML, che ha passato decenni a misurare i wafer con il metodo tradizionale, testato ogni campione utilizzando la tecnica di Hall. Ha poi passato quei campioni al laboratorio di Heilweil per i test con l'apparato terahertz. Anche Brian Alberding, ricercatore post-dottorato del NIST National Research Council (NRC), ha lavorato per eseguire e analizzare le misurazioni ottiche.
Un campione di tellururo di zinco (quadrato arancione) e silicio (croce) utilizzati nello studio. I segni d'argento nei loro angoli sono dove sono stati attaccati gli elettrodi per il confronto del metodo Hall.
Il risultato? Il metodo ottico funziona bene, Heilweil dice. Per i wafer di silicio, i numeri dei metodi Hall e THz erano in buon accordo - entro il 50% l'uno dall'altro - e anche generalmente corrispondevano a quanto pubblicato da altri laboratori in passato. Per i campioni non di silicio in cui è possibile eseguire entrambi i tipi di misurazione, anche i valori erano in buon accordo, rientranti nelle reciproche incertezze di misura. Questo successo dà ai ricercatori una maggiore fiducia nelle misurazioni THz che hanno effettuato su materiali (come il tellururo di zinco) che non possono essere testati in modo affidabile utilizzando il metodo di Hall.
Lo studio rappresenta la prima volta, a conoscenza degli autori, che il nuovo e il vecchio metodo sono stati usati sugli stessi campioni. "Mi ha sempre infastidito che esistesse un metodo di contatto e un metodo senza contatto, ma non c'era paragone tra i due, " Heilweil dice. "Utilizzando questo approccio, siamo stati in grado di fare ottimi confronti."
Un vantaggio di questo metodo è che può essere utilizzato per studiare il fotodoping, o l'uso della luce per aumentare temporaneamente la conduttività di un semiconduttore. Fondamentalmente è così che funziona una cella solare:il Sole illumina un materiale e vengono generati un numero uguale di elettroni e buchi. Per questo lavoro, i ricercatori del NIST hanno attivato il materiale utilizzando un secondo raggio di luce con una frequenza diversa, dipendente dal materiale da sondare. Hanno quindi usato il raggio di terahertz per dire loro quanti elettroni liberi e lacune sono stati generati, così come la loro mobilità, o quanto facilmente possono muoversi attraverso il materiale.
Oltre a consentire la valutazione di materiali che non potevano essere testati prima, la tecnica laser potrebbe essere utilizzata per lavori di controllo qualità più rapidi per i wafer di silicio. un giorno, il test potrebbe essere facile come inserire un campione in un lettore ottico e ottenere un risultato quasi immediatamente. Questo è potenzialmente ottimo per la ricerca e lo sviluppo, Heilweil dice, perché le aziende potrebbero testare rapidamente nuove idee, dispositivi, e materiali per vedere come funzionano.
Per adesso, anche se, la tecnica richiede un costoso sistema laser, quindi dovrebbe essere commercializzato prima di poter essere integrato nei laboratori della maggior parte dei produttori. Nel frattempo, Heilweil continua a utilizzare il metodo laser per studiare materiali esotici come l'ossido di rutenio, un promettente materiale conduttore trasparente, così come grafene e altri materiali 2-D conduttivi con strati su scala nanometrica, che un giorno potrebbe essere usato per dipingere l'elettronica sulle superfici. "Penso che se riuscissi a intaccare un po' la comunità scientifica in questo modo sarebbe molto bello, "Dice Heilweil.
