Muestras de varios materiales probados en el estudio NIST. En el sentido de las agujas del reloj desde el centavo:una oblea de silicio con su centro cortado, fosfuro de galio, silicio (cruz), germanio, y telururo de zinc.
Los semiconductores son la piedra angular de la electrónica moderna. Se utilizan en células solares diodos emisores de luz (LED), microprocesadores en portátiles y teléfonos móviles, y más. La mayoría de ellos están hechos de silicona, pero el silicio tiene sus limitaciones. Por eso, durante décadas, los investigadores han estado explorando nuevos materiales con propiedades que los convierten en buenos candidatos para mejorar, encendedor, y lámparas de bajo consumo energético más baratas, células solares, e incluso - algún día, quizás - "pintura" que aprovecha la energía solar.
Para decidir si un nuevo material es prometedor como semiconductor o cumple con las especificaciones del fabricante, las empresas deben poder contar esencialmente el número de "portadores de carga" que se mueven libremente y que flotan dentro del material, así como su movilidad o la facilidad con que se mueven. Los portadores negativos son electrones; los portadores positivos se denominan "huecos" y son lugares donde falta un electrón. Los semiconductores generalmente se dopan con impurezas para aumentar la cantidad de electrones libres en un área del material y la cantidad de agujeros libres en otra área del material. lo que le da al semiconductor un lado negativo y positivo.
La forma tradicional de medir la concentración de portadores de carga, llamado el método Hall, requiere algo de tiempo y habilidad:requiere soldar a mano una serie de contactos eléctricos metálicos en una oblea del material, exponer esa oblea a un campo magnético, aplicando una corriente, y medir un voltaje. (Ver animación).
Nuevo frente a viejo:la prueba tradicional para evaluar la calidad de un semiconductor, llamado el método Hall, mide el número de portadores de carga que se mueven libremente (electrones y huecos) en un material. Pero lleva bastante tiempo realizarlo. Un nuevo Una técnica más rápida hace esta medición al exponer el semiconductor a luz de terahercios (THz), que es mucho más rojo de lo que el ojo humano puede ver. La luz THz brilla directamente a través del silicio puro y otros materiales semiconductores. Pero es absorbido por los electrones y los agujeros que se mueven libremente (agregados al material doblándolo con impurezas o exponiéndolo a ciertas frecuencias de luz). Cuantos más portadores de carga haya en el material, la luz de menos THz brilla a través del otro lado. El método mide no solo cuántos portadores de carga hay en el material, sino también con la facilidad con que se mueven.
Pero aunque el método Hall funciona bien para el silicio, a menudo no funciona en absoluto con muchos materiales exóticos prometedores. "Los contactos no se adhieren, ", dice Ted Heilweil del Laboratorio de Medición Física (PML) del NIST." No se puede hacer que las cosas se peguen ".
Heilweil y sus colegas del NIST han estado explorando otra opción potencial, un método que no requiere ningún contacto eléctrico. En lugar de, Implica hacer brillar pulsos de luz a través de una muestra del material semiconductor y medir la cantidad que sale por el otro lado.
El nuevo método basado en láser mide el número de portadores de carga en el material utilizando radiación de terahercios (THz), que tiene una longitud de onda mucho más larga de la que el ojo humano puede ver, en el rango del infrarrojo lejano a microondas. A THz luz, el silicio puro y otros semiconductores son esencialmente invisibles. Pero una cosa que absorbe esa luz son los portadores de carga que se mueven libremente. Entonces, cuantos más electrones libres y huecos haya en el material, la menos luz brilla a través.
Para ver qué tan bien se compara el método más nuevo con la técnica tradicional de Hall, el equipo del NIST realizó ambas pruebas en una amplia gama de obleas y cristales de muestra, todos disponibles comercialmente y en estudio activo por la industria. Las muestras incluían tanto obleas de silicio puro como obleas de silicio dopadas con diversas impurezas, así como trozos de germanio y cristales de telururo de zinc, arseniuro de galio, y fosfuro de galio. Los espesores de las muestras oscilaron entre 300 micrómetros y solo 4 o 7 micrómetros, una fracción del grosor de un cabello humano.
Robert Thurber de NIST PML, que ha pasado décadas midiendo obleas utilizando el método tradicional, probó cada muestra utilizando la técnica Hall. Luego pasó esas muestras al laboratorio de Heilweil para su análisis con el aparato de terahercios. El investigador postdoctoral del Consejo Nacional de Investigación del NIST (NRC), Brian Alberding, también trabajó para realizar y analizar las mediciones ópticas.
Una muestra de telururo de zinc (cuadrado naranja) y silicio (cruz) utilizada en el estudio. Las marcas plateadas en sus esquinas son donde se colocaron los electrodos para la comparación del método Hall.
¿El resultado? El método óptico funciona bien, Dice Heilweil. Para las obleas de silicio, las cifras de los métodos Hall y THz coincidieron, con un 50% de diferencia entre sí, y en general coincidieron con lo publicado por otros laboratorios en el pasado. Para las muestras que no son de silicio en las que se pueden realizar ambos tipos de medición, los valores también estaban de acuerdo, caen dentro de las incertidumbres de medición de los demás. Este éxito les da a los investigadores más confianza en las mediciones de THz que realizaron en materiales (como el telururo de zinc) que no se pueden probar de manera confiable con el método Hall.
El estudio representa la primera vez, al conocimiento de los autores, que los métodos nuevos y antiguos se han utilizado en las mismas muestras. "Siempre me molestó que hubiera un método de contacto y un método sin contacto, pero no hubo comparación entre los dos, "Dice Heilweil." Con este enfoque, pudimos hacer muy buenas comparaciones ".
Una ventaja de este método es que se puede utilizar para estudiar el fotodopaje, o el uso de luz para aumentar temporalmente la conductividad de un semiconductor. Básicamente, así es como funciona una célula solar:el Sol ilumina un material y se generan la misma cantidad de electrones y huecos. Por este trabajo, los investigadores del NIST activaron el material usando un segundo haz de luz con una frecuencia diferente, dependiendo del material que se esté probando. Luego usaron el haz de terahercios para decirles cuántos electrones libres y huecos se generaron, así como su movilidad, o con qué facilidad pueden moverse a través del material.
Además de permitir la evaluación de materiales que no se pudieron probar antes, la técnica láser podría utilizarse para un trabajo de control de calidad más rápido para las obleas de silicio. Algún día, La prueba podría ser tan fácil como insertar una muestra en un lector óptico y obtener un resultado casi de inmediato. Esto es potencialmente excelente para la investigación y el desarrollo, Heilweil dice:porque las empresas pueden probar nuevas ideas rápidamente, dispositivos, y materiales para ver qué tan bien están funcionando.
Por ahora, aunque, la técnica requiere un costoso sistema láser, por lo que tendría que comercializarse antes de poder integrarse en la mayoría de los laboratorios de los fabricantes. Mientras tanto, Heilweil continúa utilizando el método láser para estudiar materiales exóticos como el óxido de rutenio, un material conductor transparente prometedor, así como grafeno y otros materiales 2-D conductores con capas a nanoescala, que algún día podría usarse para pintar componentes electrónicos en superficies. "Creo que si puedo hacer un pequeño hueco en la comunidad científica de esa manera, sería genial, "Dice Heilweil.
