Para crear cargas eléctricas en silicio, los investigadores proyectan luz láser pulsada sobre una muestra. Las pruebas de un fotón que utilizan luz visible solo penetran una pequeña parte en una muestra de silicio, del orden de micrómetros (millonésimas de metro) o menos. Pero las nuevas pruebas de dos fotones que utilizan luz infrarroja cercana penetran mucho, mucho más profundo en el silicio, del orden de milímetros (milésimas de metro) o más. Las pruebas de un fotón crean mucha carga eléctrica (mostrada aquí como ventajas y desventajas) en un volumen relativamente pequeño. Por el contrario, la prueba de dos fotones crea muchas menos cargas eléctricas en un volumen mucho mayor. Crédito:S. Kelley / NIST
Silicio, el semiconductor más conocido, es omnipresente en los dispositivos electrónicos, incluidos los teléfonos móviles, computadoras portátiles y la electrónica de los automóviles. Ahora, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han realizado las mediciones más sensibles hasta la fecha de la rapidez con que se mueve la carga eléctrica en el silicio. un indicador de su desempeño como semiconductor. Usando un método novedoso, han descubierto cómo funciona el silicio en circunstancias más allá de cualquier cosa que los científicos pudieran probar antes, específicamente, a niveles ultrabajos de carga eléctrica. Los nuevos resultados pueden sugerir formas de mejorar aún más los materiales semiconductores y sus aplicaciones, incluidas las células solares y las redes celulares de alta velocidad de próxima generación. Los científicos del NIST informan sus resultados hoy en Óptica Express .
A diferencia de las técnicas anteriores, El nuevo método no requiere contacto físico con la muestra de silicio y permite a los investigadores probar fácilmente muestras relativamente gruesas. que permiten las mediciones más precisas de las propiedades de los semiconductores.
Los investigadores del NIST habían realizado previamente una prueba de principio de este método utilizando otros semiconductores. Pero este último estudio es la primera vez que los investigadores comparan la nueva técnica basada en la luz con el método convencional basado en el contacto para el silicio.
Es demasiado pronto para decir exactamente cómo la industria podría utilizar este trabajo algún día. Pero los nuevos hallazgos podrían ser una base para el trabajo futuro centrado en hacer mejores materiales semiconductores para una variedad de aplicaciones. incluida la mejora potencial de la eficiencia de las células solares, detectores de luz de fotón único, LED y más. Por ejemplo, Las mediciones ultrarrápidas del equipo del NIST se adaptan bien a las pruebas de la electrónica a nanoescala de alta velocidad, como las que se utilizan en la tecnología inalámbrica de quinta generación (5G). las redes celulares digitales más nuevas. Además, la luz pulsada de baja intensidad utilizada en este estudio simula el tipo de luz de baja intensidad que una célula solar recibiría del sol.
"La luz que usamos en este experimento es similar a la intensidad de la luz que podría absorber una célula solar en un día soleado de primavera, ", dijo Tim Magnanelli del NIST. Por lo tanto, el trabajo podría potencialmente encontrar aplicaciones algún día para mejorar la eficiencia de las células solares".
La nueva técnica también es posiblemente la mejor manera de obtener una comprensión fundamental de cómo el movimiento de carga en el silicio se ve afectado por el dopaje. un proceso común en las células del sensor de luz que implica adulterar el material con otra sustancia (llamada "dopante") que aumenta la conductividad.
Cavando profundo
Cuando los investigadores quieren determinar qué tan bien se comportará un material como semiconductor, evalúan su conductividad. Una forma de medir la conductividad es midiendo su "movilidad del portador de carga, "El término para la rapidez con que las cargas eléctricas se mueven dentro de un material. Los portadores de carga negativa son electrones; los portadores positivos se denominan" huecos "y son lugares donde falta un electrón.
La técnica convencional para probar la movilidad del portador de carga se denomina método Hall. Esto implica soldar contactos en la muestra y pasar electricidad a través de esos contactos en un campo magnético. Pero este método basado en contacto tiene inconvenientes:los resultados pueden verse sesgados por impurezas o defectos de la superficie, o incluso problemas con los propios contactos.
Para sortear estos desafíos, Los investigadores del NIST han estado experimentando con un método que utiliza radiación de terahercios (THz).
El método de medición de THz del NIST es un método rápido y forma sin contacto de medir la conductividad que depende de dos tipos de luz. Primero, Los pulsos ultracortos de luz visible crean electrones y agujeros que se mueven libremente dentro de una muestra, un proceso llamado "fotodopado" del silicio. Luego, Pulsos de THz, con longitudes de onda mucho más largas de lo que el ojo humano puede ver, en el rango de infrarrojo lejano a microondas, brillar en la muestra.
A diferencia de la luz visible, La luz THz puede penetrar incluso materiales opacos como muestras de semiconductores de silicio. La cantidad de luz que penetra o es absorbida por la muestra depende de cuántos portadores de carga se mueven libremente. Los portadores de carga que se mueven más libremente, cuanto mayor sea la conductividad del material.
"No se necesitan contactos para esta medición, ", dijo el químico del NIST Ted Heilweil." Todo lo que hacemos es simplemente con luz ".
Encontrar el punto ideal
En el pasado, Los investigadores realizaron el proceso de fotodopaje utilizando fotones individuales de luz visible o ultravioleta.
El problema de usar un solo fotón para el dopaje, aunque, es que normalmente penetra sólo un poco a través de la muestra. Y dado que la luz THz penetra completamente en la muestra, Los investigadores pueden usar este método de manera efectiva para estudiar solo muestras de silicio muy delgadas, del orden de 10 a 100 mil millonésimas de metro de espesor (10 a 100 nanómetros), como 10, 000 veces más delgado que un cabello humano.
Sin embargo, si la muestra es tan fina, Los investigadores están atrapados con algunos de los mismos problemas que con la técnica Hall convencional, a saber, los defectos superficiales pueden sesgar los resultados. Cuanto más fina sea la muestra, cuanto mayor sea el impacto de los defectos superficiales.
Los investigadores se dividieron entre dos objetivos:aumentar el grosor de las muestras de silicio, o aumentar la sensibilidad que obtienen al usar fotones de luz individuales.
¿La solución? Ilumine la muestra con dos fotones a la vez en lugar de uno a la vez.
Al hacer brillar dos fotones del infrarrojo cercano sobre el silicio, los científicos todavía están usando solo una pequeña cantidad de luz. Pero es suficiente para atravesar muestras mucho más gruesas sin dejar de crear la menor cantidad posible de electrones y huecos por centímetro cúbico.
"Con dos fotones absorbidos a la vez, podemos profundizar en el material y podemos ver muchos menos electrones y huecos generados, "Dijo Magnanelli.
El uso de una medición de dos fotones significa que los investigadores pueden mantener los niveles de potencia lo más bajos posible, pero aún penetran completamente en la muestra. Una medición convencional puede resolver no menos de cien billones de portadores por centímetro cúbico. Usando su nuevo método, el equipo del NIST resolvió apenas 10 billones, al menos 10 veces más sensibilidad:un umbral más bajo para la medición.
Las muestras estudiadas hasta ahora son más gruesas que algunas otras muestras, alrededor de medio milímetro de espesor. Eso es lo suficientemente grueso para evitar problemas de defectos en la superficie.
Y al reducir el umbral para medir huecos y electrones libres, los investigadores del NIST encontraron un par de resultados sorprendentes:
Otros métodos habían demostrado que a medida que los investigadores crean cada vez menos electrones y huecos, sus instrumentos miden cada vez más la movilidad del portador en la muestra, pero solo hasta cierto punto, después de lo cual la densidad de portadores es tan baja que la movilidad se estabiliza. Al usar su método sin contacto, Los investigadores del NIST encontraron que la meseta se produce a una densidad de portadores más baja de lo que se pensaba anteriormente. y que las movilidades son 50% más altas que las medidas antes.
"Un resultado inesperado como este nos muestra cosas que no sabíamos antes sobre el silicio, ", Dijo Heilweil." Y aunque esta es una ciencia fundamental, aprender más sobre cómo funciona el silicio podría ayudar a los fabricantes de dispositivos a utilizarlo de forma más eficaz. Por ejemplo, algunos semiconductores pueden funcionar mejor con niveles de dopaje más bajos que los que se utilizan actualmente ".
Los investigadores también utilizaron esta técnica en arseniuro de galio (GaAs), otro semiconductor sensible a la luz popular, para demostrar que sus resultados no son exclusivos del silicio. En GaAs, encontraron que la movilidad del portador continúa aumentando con una menor densidad del portador de carga, aproximadamente 100 veces más bajo que el límite aceptado convencionalmente.
El trabajo futuro del NIST podría centrarse en la aplicación de diferentes técnicas de fotodopaje a las muestras, así como variar la temperatura de las muestras. Experimentar con muestras más gruesas puede proporcionar resultados aún más sorprendentes en semiconductores. "Cuando usamos el método de dos fotones en muestras más gruesas, podemos producir densidades de portadores aún más bajas que luego podemos sondear con los pulsos de THz, "Dijo Heilweil.
