Silício, o semicondutor mais conhecido, é onipresente em dispositivos eletrônicos, incluindo telefones celulares, laptops e eletrônicos em carros. Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) fizeram as medições mais sensíveis até agora sobre a rapidez com que a carga elétrica se move no silício, um medidor de seu desempenho como semicondutor. Usando um novo método, eles descobriram como o silício funciona em circunstâncias além de qualquer coisa que os cientistas pudessem testar antes, especificamente, em níveis ultrabaixo de carga elétrica. Os novos resultados podem sugerir maneiras de melhorar ainda mais os materiais semicondutores e suas aplicações, incluindo células solares e redes celulares de alta velocidade de próxima geração. Os cientistas do NIST relatam seus resultados hoje em Optics Express .

Ao contrário das técnicas anteriores, o novo método não requer contato físico com a amostra de silício e permite que os pesquisadores testem facilmente amostras relativamente grossas, que permitem as medições mais precisas das propriedades do semicondutor.

Os pesquisadores do NIST já haviam feito um teste de prova de princípio desse método usando outros semicondutores. Mas este último estudo é a primeira vez que pesquisadores compararam a nova técnica baseada em luz com o método convencional baseado em contato para silício.

É muito cedo para dizer exatamente como esse trabalho pode ser usado algum dia pela indústria. Mas as novas descobertas podem ser uma base para trabalhos futuros focados em fazer melhores materiais semicondutores para uma variedade de aplicações, incluindo o potencial de melhoria da eficiência em células solares, detectores de luz de fóton único, LEDs e muito mais. Por exemplo, as medições ultrarrápidas da equipe do NIST são adequadas para testes de eletrônicos em nanoescala de alta velocidade, como aqueles usados ​​na tecnologia sem fio de quinta geração (5G), as mais novas redes celulares digitais. Além disso, a luz pulsada de baixa intensidade usada neste estudo simula o tipo de luz de baixa intensidade que uma célula solar receberia do sol.

"A luz que usamos neste experimento é semelhante à intensidade da luz que uma célula solar pode absorver em um dia ensolarado de primavera, "disse Tim Magnanelli do NIST." Portanto, o trabalho pode encontrar aplicações algum dia para melhorar a eficiência das células solares. "

A nova técnica também é indiscutivelmente a melhor maneira de obter uma compreensão fundamental de como o movimento da carga no silício é afetado pelo doping, um processo comum em células sensoras de luz que envolve a adulteração do material com outra substância (chamada de "dopante") que aumenta a condutividade.

Cavando Profundamente

Quando os pesquisadores querem determinar o quão bem um material terá um desempenho como semicondutor, eles avaliam sua condutividade. Uma maneira de medir a condutividade é medindo sua "mobilidade do portador de carga, "o termo para a velocidade com que as cargas elétricas se movem dentro de um material. Portadores de carga negativa são elétrons; portadores de carga positiva são chamados de" buracos "e são lugares onde um elétron está faltando.

A técnica convencional para testar a mobilidade do portador de carga é chamada de método Hall. Isso envolve a soldagem de contatos na amostra e a passagem de eletricidade por esses contatos em um campo magnético. Mas este método baseado em contato tem desvantagens:os resultados podem ser distorcidos por impurezas ou defeitos da superfície, ou mesmo problemas com os próprios contatos.

Para contornar esses desafios, Os pesquisadores do NIST têm experimentado um método que usa radiação terahertz (THz).

O método de medição THz do NIST é rápido, forma sem contato de medir a condutividade que depende de dois tipos de luz. Primeiro, pulsos ultracurtos de luz visível criam elétrons que se movem livremente e buracos dentro de uma amostra - um processo chamado "fotodopagem" do silício. Então, Pulsos THz, com comprimentos de onda muito maiores do que o olho humano pode ver, na faixa do infravermelho distante ao microondas, brilhar na amostra.

Ao contrário da luz visível, A luz THz pode penetrar até mesmo em materiais opacos, como amostras de semicondutores de silício. A quantidade dessa luz que penetra ou é absorvida pela amostra depende de quantos portadores de carga estão se movendo livremente. Os portadores de carga que se movem mais livremente, quanto maior a condutividade do material.

"Nenhum contato é necessário para esta medição, "disse o químico do NIST, Ted Heilweil." Tudo o que fazemos é apenas com luz. "

Encontrando o ponto ideal

No passado, os pesquisadores realizaram o processo de fotodopagem usando fótons únicos de luz visível ou ultravioleta.

O problema de usar apenas um fóton para doping, no entanto, é que normalmente penetra apenas um pequeno caminho através da amostra. E uma vez que a luz THz penetra completamente na amostra, os pesquisadores podem usar esse método com eficácia para estudar apenas amostras de silício muito finas - da ordem de 10 a 100 bilionésimos de um metro de espessura (10 a 100 nanômetros), cerca de 10, 000 vezes mais fino que um cabelo humano.

Contudo, se a amostra é tão fina, os pesquisadores estão presos a alguns dos mesmos problemas da técnica de Hall convencional, ou seja, defeitos de superfície podem distorcer os resultados. Quanto mais fina a amostra, quanto maior o impacto dos defeitos superficiais.

Os pesquisadores estavam divididos entre dois objetivos:aumentar a espessura das amostras de silício, ou aumentar a sensibilidade que obtêm com o uso de fótons únicos de luz.

A solução? Ilumine a amostra com dois fótons de uma vez em vez de um de cada vez.

Ao brilhar dois fótons infravermelhos próximos no silício, os cientistas ainda estão usando apenas uma pequena quantidade de luz. Mas é o suficiente para passar por amostras muito mais espessas e, ao mesmo tempo, criar o menor número possível de elétrons e buracos por centímetro cúbico.

"Com dois fótons sendo absorvidos de uma vez, podemos nos aprofundar no material e podemos ver muito menos elétrons e buracos gerados, "Magnanelli disse.

Usar uma medição de dois fótons significa que os pesquisadores podem manter os níveis de energia o mais baixo possível, mas ainda assim penetre totalmente na amostra. Uma medição convencional pode resolver não menos que cem trilhões de portadores por centímetro cúbico. Usando seu novo método, a equipe do NIST resolveu apenas 10 trilhões, pelo menos 10 vezes mais sensibilidade - um limite inferior para medição.

As amostras estudadas até agora são mais espessas do que algumas outras amostras - cerca de meio milímetro de espessura. É espesso o suficiente para evitar problemas de defeitos de superfície.

E ao diminuir o limite para medir buracos livres e elétrons, os pesquisadores do NIST encontraram alguns resultados surpreendentes:

Outros métodos mostraram que, à medida que os pesquisadores criam cada vez menos elétrons e lacunas, seus instrumentos medem cada vez mais a mobilidade da portadora na amostra, mas apenas até certo ponto, depois disso, a densidade do portador fica tão baixa que a mobilidade atinge um patamar. Usando seu método sem contato, Os pesquisadores do NIST descobriram que o platô ocorre em uma densidade de portadores mais baixa do que se pensava anteriormente, e que as mobilidades são 50% maiores do que as medidas antes.

"Um resultado inesperado como este nos mostra coisas que não sabíamos sobre o silício antes, "Heilweil disse." E embora isso seja ciência fundamental, aprender mais sobre como o silício funciona pode ajudar os fabricantes de dispositivos a usá-lo de maneira mais eficaz. Por exemplo, alguns semicondutores podem funcionar melhor em níveis de dopagem mais baixos do que os usados ​​atualmente. "

Os pesquisadores também usaram essa técnica com arseneto de gálio (GaAs), outro semicondutor sensível à luz popular, para demonstrar que seus resultados não são exclusivos do silício. Em GaAs, eles descobriram que a mobilidade do portador continua a aumentar com menor densidade de portador de carga, cerca de 100 vezes menor do que o limite convencionalmente aceito.

O trabalho futuro do NIST pode se concentrar na aplicação de diferentes técnicas de fotodopagem para amostras, bem como variar a temperatura das amostras. A experiência com amostras mais espessas pode fornecer resultados ainda mais surpreendentes em semicondutores. "Quando usamos o método de dois fótons em amostras mais espessas, podemos produzir densidades de portadores ainda mais baixas que podemos sondar com os pulsos THz, "Heilweil disse.