Silicium, le semi-conducteur le plus connu, est omniprésent dans les appareils électroniques, y compris les téléphones portables, ordinateurs portables et l'électronique dans les voitures. Maintenant, les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont effectué les mesures les plus sensibles à ce jour de la vitesse à laquelle la charge électrique se déplace dans le silicium, un indicateur de ses performances en tant que semi-conducteur. En utilisant une nouvelle méthode, ils ont découvert comment le silicium fonctionne dans des circonstances au-delà de tout ce que les scientifiques pourraient tester auparavant, en particulier, à des niveaux de charge électrique ultra-faibles. Les nouveaux résultats peuvent suggérer des moyens d'améliorer encore les matériaux semi-conducteurs et leurs applications, y compris les cellules solaires et les réseaux cellulaires à haut débit de nouvelle génération. Les scientifiques du NIST rapportent leurs résultats aujourd'hui dans Optique Express .

Contrairement aux techniques précédentes, la nouvelle méthode ne nécessite pas de contact physique avec l'échantillon de silicium et permet aux chercheurs de tester facilement des échantillons relativement épais, qui permettent les mesures les plus précises des propriétés des semi-conducteurs.

Les chercheurs du NIST avaient déjà effectué un test de preuve de principe de cette méthode en utilisant d'autres semi-conducteurs. Mais cette dernière étude est la première fois que des chercheurs opposent la nouvelle technique basée sur la lumière à la méthode conventionnelle basée sur le contact pour le silicium.

Il est trop tôt pour dire exactement comment ce travail pourrait un jour être utilisé par l'industrie. Mais les nouvelles découvertes pourraient être une base pour de futurs travaux axés sur la fabrication de meilleurs matériaux semi-conducteurs pour une variété d'applications, y compris l'amélioration potentielle de l'efficacité des cellules solaires, détecteurs de lumière à photon unique, LED et plus. Par exemple, les mesures ultrarapides de l'équipe du NIST sont bien adaptées aux tests de l'électronique à grande vitesse à l'échelle nanométrique tels que ceux utilisés dans la technologie sans fil de cinquième génération (5G), les plus récents réseaux cellulaires numériques. En outre, la lumière pulsée de faible intensité utilisée dans cette étude simule le type de lumière de faible intensité qu'une cellule solaire recevrait du Soleil.

"La lumière que nous utilisons dans cette expérience est similaire à l'intensité de la lumière qu'une cellule solaire pourrait absorber un jour de printemps ensoleillé, " a déclaré Tim Magnanelli du NIST. " Ainsi, le travail pourrait potentiellement trouver des applications un jour dans l'amélioration de l'efficacité des cellules solaires. "

La nouvelle technique est également sans doute le meilleur moyen d'obtenir une compréhension fondamentale de la façon dont le mouvement de charge dans le silicium est affecté par le dopage, un processus courant dans les cellules de capteur de lumière qui consiste à falsifier le matériau avec une autre substance (appelée « dopant ») qui augmente la conductivité.

Creuser profondément

Lorsque les chercheurs veulent déterminer les performances d'un matériau en tant que semi-conducteur, ils évaluent sa conductivité. Une façon d'évaluer la conductivité est de mesurer sa "mobilité des porteurs de charge, " le terme désignant la vitesse à laquelle les charges électriques se déplacent dans un matériau. Les porteurs de charge négatifs sont des électrons; les porteurs positifs sont appelés " trous " et sont des endroits où un électron manque.

La technique conventionnelle pour tester la mobilité des porteurs de charge est appelée la méthode de Hall. Cela implique de souder des contacts sur l'échantillon et de faire passer de l'électricité à travers ces contacts dans un champ magnétique. Mais cette méthode par contact présente des inconvénients :Les résultats peuvent être faussés par des impuretés ou des défauts de surface, ou même des problèmes avec les contacts eux-mêmes.

Pour contourner ces défis, Les chercheurs du NIST ont expérimenté une méthode qui utilise le rayonnement térahertz (THz).

La méthode de mesure THz du NIST est une méthode rapide, moyen sans contact de mesurer la conductivité qui repose sur deux types de lumière. D'abord, des impulsions ultracourtes de lumière visible créent des électrons et des trous en mouvement libre dans un échantillon - un processus appelé "photodopage" du silicium. Puis, impulsions THz, avec des longueurs d'onde beaucoup plus longues que l'œil humain ne peut voir, dans l'infrarouge lointain aux micro-ondes, briller sur l'échantillon.

Contrairement à la lumière visible, La lumière THz peut pénétrer même des matériaux opaques tels que des échantillons de semi-conducteurs en silicium. La quantité de cette lumière qui pénètre ou est absorbée par l'échantillon dépend du nombre de porteurs de charge qui se déplacent librement. Les porteurs de charge se déplaçant plus librement, plus la conductivité du matériau est élevée.

"Aucun contact n'est nécessaire pour cette mesure, ", a déclaré le chimiste du NIST Ted Heilweil. "Tout ce que nous faisons est juste avec la lumière."

Trouver le bon endroit

Autrefois, les chercheurs ont effectué le processus de photodopage à l'aide de photons uniques de lumière visible ou ultraviolette.

Le problème d'utiliser un seul photon pour le dopage, bien que, est qu'il ne pénètre généralement qu'une petite partie de l'échantillon. Et comme la lumière THz pénètre complètement dans l'échantillon, les chercheurs peuvent utiliser efficacement cette méthode pour étudier uniquement des échantillons de silicium très fins, de l'ordre de 10 à 100 milliardièmes de mètre d'épaisseur (10 à 100 nanomètres), environ 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.

Cependant, si l'échantillon est si fin, les chercheurs sont confrontés à certains des mêmes problèmes qu'avec la technique de Hall conventionnelle, à savoir, les défauts de surface peuvent fausser les résultats. Plus l'échantillon est fin, plus l'impact des défauts de surface est grand.

Les chercheurs étaient tiraillés entre deux objectifs :Augmenter l'épaisseur des échantillons de silicium, ou augmenter la sensibilité qu'ils obtiennent en utilisant des photons uniques de lumière.

La solution? Illuminez l'échantillon avec deux photons à la fois au lieu d'un à la fois.

En projetant deux photons dans le proche infrarouge sur le silicium, les scientifiques n'utilisent encore qu'une petite quantité de lumière. Mais c'est suffisant pour traverser des échantillons beaucoup plus épais tout en créant le moins d'électrons et de trous possibles par centimètre cube.

"Avec deux photons absorbés à la fois, nous pouvons pénétrer plus profondément dans le matériau et nous pouvons voir beaucoup moins d'électrons et de trous générés, " a déclaré Magnanelli.

L'utilisation d'une mesure à deux photons signifie que les chercheurs peuvent maintenir les niveaux de puissance aussi bas que possible, mais pénètrent toujours complètement dans l'échantillon. Une mesure conventionnelle peut résoudre pas moins de cent mille milliards de porteurs par centimètre cube. Grâce à sa nouvelle méthode, l'équipe du NIST a résolu à peine 10 000 milliards, au moins 10 fois plus de sensibilité—un seuil inférieur pour la mesure.

Les échantillons étudiés jusqu'à présent sont plus épais que certains autres échantillons, soit environ un demi-millimètre d'épaisseur. C'est assez épais pour éviter les problèmes de défauts de surface.

Et en abaissant le seuil de mesure des trous libres et des électrons, les chercheurs du NIST ont trouvé quelques résultats surprenants :

D'autres méthodes ont montré qu'à mesure que les chercheurs créent de moins en moins d'électrons et de trous, leurs instruments mesurent de plus en plus la mobilité des porteurs dans l'échantillon, mais seulement jusqu'à un certain point, après quoi la densité de porteurs devient si faible que la mobilité se stabilise. En utilisant leur méthode sans contact, Les chercheurs du NIST ont découvert que le plateau se produit à une densité de porteurs plus faible qu'on ne le pensait auparavant, et que les mobilités sont 50% plus élevées que mesurées auparavant.

"Un résultat inattendu comme celui-ci nous montre des choses que nous ne savions pas sur le silicium auparavant, " Heilweil a dit. " Et bien que ce soit la science fondamentale, en savoir plus sur le fonctionnement du silicium pourrait aider les fabricants d'appareils à l'utiliser plus efficacement. Par exemple, certains semi-conducteurs peuvent mieux fonctionner à des niveaux de dopage inférieurs à ceux actuellement utilisés."

Les chercheurs ont également utilisé cette technique sur l'arséniure de gallium (GaAs), un autre semi-conducteur photosensible populaire, démontrer que leurs résultats ne sont pas propres au silicium. En GaAs, ils ont constaté que la mobilité des porteurs continue d'augmenter avec une densité de porteurs de charge plus faible, environ 100 fois inférieure à la limite conventionnellement acceptée.

Les futurs travaux du NIST pourraient se concentrer sur l'application de différentes techniques de photodopage aux échantillons, ainsi que faire varier la température des échantillons. Expérimenter avec des échantillons plus épais peut fournir des résultats encore plus surprenants dans les semi-conducteurs. "Lorsque nous utilisons la méthode à deux photons sur des échantillons plus épais, nous pouvons produire des densités de porteurs encore plus faibles que nous pouvons ensuite sonder avec les impulsions THz, " a déclaré Heilweil.