Учёные выяснили, что кремний может сохранять проводимость при сверхнизких уровнях заряда

29.02.2020 0:58

Учёные выяснили, что кремний может сохранять проводимость при сверхнизких уровнях заряда

Казалось бы, если в электронике что-то изучено наиболее досконально, то это свойства кремния. Оказалось, что это не так. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) придумали новый метод измерения мобильности заряжённых частиц в кремнии, который если не перевернул, то значительно расширил представление о процессах переноса заряда в полупроводниках.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Express. Предложенный учёными метод позволил провести наиболее чувствительные измерения скорости движения электрического заряда в кремнии, а это показатель его эффективности в качестве полупроводника. Как следствие, новый метод позволит точнее оценить влияние на проводимость кремния тех или иных легирующих добавок и создаст основу для улучшения характеристик полупроводниковых приборов. Это шанс улучшить работу чипов практически даром только за счёт лучшего понимания процессов. Провести тюнинг, если так можно выразиться.

Традиционно подвижность электронов и дырок в кремнии измеряли методом Холла. Этот метод предполагает, что на образце кремния (полупроводника) распаиваются контакты для пропускания электрического тока. Недостатком этого способа является то, что в местах пайки образуются дефекты или появляются примеси, которые вносят искажения в результаты измерения.

Для чистоты эксперимента учёные из NIST воспользовались бесконтактным методом. На образец кремния сначала подавался свет слабой интенсивности в виде сверхкоротких импульсов видимого света, а затем образец облучался импульсами излучения в дальнем инфракрасном или микроволновом диапазоне. Слабый видимый свет производил на кремний эффект фотолегирования: в слое кремния возникали заряжённые частицы в виде электронов и дырок.

Видимый свет, по понятным причинам, в толщу кремния проникнуть не мог. Именно для этого фотолегированный образец облучался терагерцевым излучением (в дальнем инфракрасном диапазоне), для которого кремний прозрачен. И чем больше в образце заряжённых частиц, тем больше света проникает или поглощается образцом. При этом важно отметить, что для более точного измерения подвижности электронов в образце его толщина должна была быть довольно большой ― до 1 мм. Это исключало влияние на измерения дефектов на поверхности образца.

В то же время перед исследователями стояла другая проблема. Количество «внесённых» видимым светом электронов и дырок в образце должно было быть как можно меньше, чтобы понизить порог чувствительности при измерениях. Обычно для этого образец облучался одним фотоном, но в случае толстого образца один фотон выбивал в кремнии недостаточно заряжённых частиц. Выход был найден в облучении образца двумя фотонами видимого света. После этого терагерцевое излучение свободно проходило через образец при минимальном числе заряжённых частиц в объёме материала. По утверждению учёных, порог чувствительности удалось понизить в 10 раз со 100 трлн носителей заряда на см2 до 10 трлн.

Учёные выяснили, что кремний может сохранять проводимость при сверхнизких уровнях заряда

Как только порог чувствительности был понижен, выяснилось удивительное. Подвижность электронов в кремнии оказалась способна расти даже до весьма разреженного состояния носителей в материале, о чём раньше никто не подозревал. Собственно, сама подвижность оказалась на 50 % выше, чем считалось ранее. Для контрольной проверки подобный эксперимент был проведён с арсенидом галлия (GaAs), тоже светочувствительным полупроводником. Обнаружилось, что подвижность носителей заряда в этом материале продолжает расти по мере снижения их плотности. Измеренный новым методом предел плотности носителей оказался примерно в 100 раз ниже, чем до этого считалось.

Что из всего этого следует? В далёком или не очень далёком будущем полупроводники смогут работать при очень низких уровнях заряда. По крайней мере, теоретический предел отодвинут достаточно далеко. Это и высокочувствительные солнечны панели, и однофотонные детекторы (привет квантовым компьютерам!), сверх энергоэффективная электроника и многое другое.

Источник