Silicio, il semiconduttore più noto, è onnipresente nei dispositivi elettronici inclusi i cellulari, computer portatili e l'elettronica in auto. Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno effettuato le misurazioni più sensibili fino ad oggi di quanto velocemente si muove la carica elettrica nel silicio, un indicatore delle sue prestazioni come semiconduttore. Utilizzando un nuovo metodo, hanno scoperto come si comporta il silicio in circostanze al di là di qualsiasi cosa gli scienziati potessero testare prima, in particolare, a bassissimi livelli di carica elettrica. I nuovi risultati potrebbero suggerire modi per migliorare ulteriormente i materiali semiconduttori e le loro applicazioni, comprese le celle solari e le reti cellulari ad alta velocità di nuova generazione. Gli scienziati del NIST riferiscono oggi i loro risultati in Ottica Express .

A differenza delle tecniche precedenti, il nuovo metodo non richiede il contatto fisico con il campione di silicio e consente ai ricercatori di testare facilmente campioni relativamente spessi, che consentono le misurazioni più accurate delle proprietà dei semiconduttori.

I ricercatori del NIST avevano precedentemente eseguito un test di prova di principio di questo metodo utilizzando altri semiconduttori. Ma questo ultimo studio è la prima volta che i ricercatori hanno confrontato la nuova tecnica basata sulla luce con il metodo convenzionale basato sul contatto per il silicio.

È troppo presto per dire esattamente come questo lavoro potrebbe essere utilizzato un giorno dall'industria. Ma le nuove scoperte potrebbero essere una base per il lavoro futuro incentrato sulla produzione di materiali semiconduttori migliori per una varietà di applicazioni, compreso il potenziale miglioramento dell'efficienza delle celle solari, rilevatori di luce a singolo fotone, LED e altro. Per esempio, le misurazioni ultraveloci del team NIST sono adatte ai test dell'elettronica su nanoscala ad alta velocità come quelle utilizzate nella tecnologia wireless di quinta generazione (5G), le più recenti reti cellulari digitali. Inoltre, la luce pulsata a bassa intensità utilizzata in questo studio simula il tipo di luce a bassa intensità che una cella solare riceverebbe dal Sole.

"La luce che usiamo in questo esperimento è simile all'intensità della luce che una cella solare potrebbe assorbire in una soleggiata giornata primaverile, " ha affermato Tim Magnanelli del NIST. "Quindi il lavoro potrebbe potenzialmente trovare un giorno applicazioni per migliorare l'efficienza delle celle solari".

La nuova tecnica è anche probabilmente il modo migliore per ottenere una comprensione fondamentale di come il movimento di carica nel silicio è influenzato dal drogaggio, un processo comune nelle cellule dei sensori di luce che comporta l'adulterazione del materiale con un'altra sostanza (chiamata "drogante") che aumenta la conduttività.

Scavare in profondità

Quando i ricercatori vogliono determinare le prestazioni di un materiale come semiconduttore, ne valutano la conducibilità. Un modo per misurare la conduttività è misurare la sua "mobilità del portatore di carica, " il termine per la velocità con cui le cariche elettriche si muovono all'interno di un materiale. I portatori di carica negativa sono elettroni; i portatori positivi sono indicati come "buchi" e sono luoghi in cui manca un elettrone.

La tecnica convenzionale per testare la mobilità dei portatori di carica è chiamata metodo di Hall. Ciò comporta la saldatura dei contatti sul campione e il passaggio dell'elettricità attraverso quei contatti in un campo magnetico. Ma questo metodo basato sul contatto presenta degli svantaggi:i risultati possono essere distorti da impurità o difetti superficiali, o anche problemi con i contatti stessi.

Per aggirare queste sfide, I ricercatori del NIST hanno sperimentato un metodo che utilizza radiazioni terahertz (THz).

Il metodo di misurazione THz del NIST è un rapido, metodo senza contatto per misurare la conduttività che si basa su due tipi di luce. Primo, impulsi ultracorti di luce visibile creano elettroni e lacune in movimento libero all'interno di un campione, un processo chiamato "fotodrogaggio" del silicio. Quindi, THz impulsi, con lunghezze d'onda molto più lunghe di quanto l'occhio umano possa vedere, nel lontano infrarosso a microonde, brillare sul campione.

A differenza della luce visibile, La luce THz può penetrare anche materiali opachi come i campioni di semiconduttori di silicio. Quanta di quella luce penetra o viene assorbita dal campione dipende da quanti portatori di carica si muovono liberamente. I portatori di carica che si muovono più liberamente, maggiore è la conduttività del materiale.

"Non sono necessari contatti per questa misurazione, " ha detto il chimico del NIST Ted Heilweil. "Tutto ciò che facciamo è solo con la luce".

Trovare il punto debole

Nel passato, i ricercatori hanno eseguito il processo di fotodoping utilizzando singoli fotoni di luce visibile o ultravioletta.

Il problema con l'utilizzo di un solo fotone per il doping, anche se, è che in genere penetra solo in piccola parte attraverso il campione. E poiché la luce THz penetra completamente nel campione, i ricercatori possono utilizzare efficacemente questo metodo per studiare solo campioni di silicio molto sottili, dell'ordine da 10 a 100 miliardesimi di metro di spessore (da 10 a 100 nanometri), circa 10, 000 volte più sottile di un capello umano.

Però, se il campione è così sottile, i ricercatori sono bloccati con alcuni degli stessi problemi della tecnica Hall convenzionale, vale a dire, i difetti superficiali possono alterare i risultati. Più sottile è il campione, maggiore è l'impatto dei difetti superficiali.

I ricercatori erano combattuti tra due obiettivi:aumentare lo spessore dei campioni di silicio, o aumentare la sensibilità che ottengono dall'utilizzo di singoli fotoni di luce.

La soluzione? Illuminare il campione con due fotoni contemporaneamente anziché uno alla volta.

Facendo brillare due fotoni nel vicino infrarosso sul silicio, gli scienziati stanno ancora usando solo una piccola quantità di luce. Ma è sufficiente passare attraverso campioni molto più spessi creando il minor numero possibile di elettroni e buchi per centimetro cubo.

"Con due fotoni assorbiti contemporaneamente, possiamo approfondire il materiale e possiamo vedere molti meno elettroni e lacune generati, " ha detto Magnanelli.

L'utilizzo di una misurazione a due fotoni significa che i ricercatori possono mantenere i livelli di potenza il più bassi possibile, ma ancora penetrare completamente nel campione. Una misurazione convenzionale può risolvere non meno di cento trilioni di vettori per centimetro cubo. Usando il suo nuovo metodo, il team del NIST ha risolto solo 10 trilioni, sensibilità almeno 10 volte maggiore, una soglia di misurazione più bassa.

I campioni studiati finora sono più spessi di altri campioni, circa mezzo millimetro di spessore. È abbastanza spesso da evitare problemi di difetti superficiali.

E abbassando la soglia per misurare lacune ed elettroni liberi, i ricercatori del NIST hanno trovato un paio di risultati sorprendenti:

Altri metodi avevano dimostrato che man mano che i ricercatori creano sempre meno elettroni e lacune, i loro strumenti misurano una mobilità dei portatori sempre più elevata nel campione, ma solo fino a un certo punto, dopodiché la densità dei portatori diventa così bassa che la mobilità si stabilizza. Usando il loro metodo senza contatto, I ricercatori del NIST hanno scoperto che l'altopiano si verifica a una densità di portatori più bassa di quanto si pensasse in precedenza, e che le mobilità sono superiori del 50% rispetto a quelle misurate in precedenza.

"Un risultato inaspettato come questo ci mostra cose che prima non sapevamo sul silicio, " disse Heilweil. "E sebbene questa sia una scienza fondamentale, saperne di più su come funziona il silicio potrebbe aiutare i produttori di dispositivi a usarlo in modo più efficace. Per esempio, alcuni semiconduttori potrebbero funzionare meglio a livelli di doping inferiori rispetto a quelli attualmente utilizzati".

I ricercatori hanno utilizzato questa tecnica anche sull'arseniuro di gallio (GaAs), un altro popolare semiconduttore sensibile alla luce, per dimostrare che i loro risultati non sono esclusivi del silicio. In GaAs, hanno scoperto che la mobilità dei portatori continua ad aumentare con una densità di portatori di carica inferiore, circa 100 volte inferiore al limite convenzionalmente accettato.

Il futuro lavoro del NIST potrebbe concentrarsi sull'applicazione di diverse tecniche di fotodoping ai campioni, oltre a variare la temperatura dei campioni. Sperimentare con campioni più spessi può fornire risultati ancora più sorprendenti nei semiconduttori. "Quando usiamo il metodo a due fotoni su campioni più spessi, possiamo produrre densità di portatori ancora più basse che possiamo poi sondare con gli impulsi THz, "Ha detto Heilweil.