Silicon giữ lại độ dẫn điện ở mức sạc cực thấp 01.03.2020

Các nhà nghiên cứu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã đưa ra một phương pháp mới để đo độ linh động của các hạt mang điện trong silicon, nếu không bị lật ngược, thì phương pháp này đã mở rộng đáng kể sự hiểu biết về các quá trình truyền điện tích trong chất bán dẫn.

Phương pháp do các nhà khoa học đề xuất giúp nó có thể thực hiện các phép đo nhạy cảm nhất về tốc độ chuyển động của điện tích trong silicon, và đây là một chỉ số đánh giá hiệu quả của nó như một chất bán dẫn. Kết quả là, phương pháp mới sẽ có thể đánh giá chính xác hơn ảnh hưởng của một số chất pha tạp nhất định đến độ dẫn điện của silicon và sẽ tạo cơ sở để cải thiện các đặc tính của thiết bị bán dẫn. Đây là cơ hội để cải thiện hiệu suất của các chip gần như không có gì chỉ thông qua việc hiểu rõ hơn về các quy trình. Tiến hành điều chỉnh, có thể nói như vậy.

Theo truyền thống, tính linh động của các electron và lỗ trống trong silicon được đo bằng phương pháp Hall. Phương pháp này giả định rằng các tiếp điểm được hàn trên một mẫu silicon (chất bán dẫn) để cho dòng điện chạy qua. Nhược điểm của phương pháp này là các khuyết tật hoặc tạp chất xuất hiện tại các điểm hàn, làm sai lệch kết quả đo.

Đối với độ tinh khiết của thí nghiệm, các nhà khoa học từ NIST đã sử dụng phương pháp không tiếp xúc. Đầu tiên, mẫu silicon được tiếp xúc với ánh sáng có cường độ thấp dưới dạng các xung siêu ngắn của ánh sáng nhìn thấy, và sau đó mẫu được chiếu xạ với các xung bức xạ trong dải hồng ngoại xa hoặc vi sóng. Ánh sáng nhìn thấy yếu tạo ra hiệu ứng photodoping trên silicon: các hạt mang điện xuất hiện trong lớp silicon dưới dạng electron và lỗ trống.

Vì những lý do rõ ràng, ánh sáng nhìn thấy không thể xuyên qua độ dày của silicon. Với mục đích này, mẫu có ánh sáng được chiếu bằng bức xạ terahertz (trong dải hồng ngoại xa), mà silicon là trong suốt. Và càng nhiều hạt mang điện trong mẫu, thì càng có nhiều ánh sáng xuyên qua hoặc bị hấp thụ bởi mẫu. Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là để đo chính xác hơn độ linh động của điện tử trong mẫu, độ dày của nó phải khá lớn, lên đến 1 mm. Điều này loại trừ ảnh hưởng của các khuyết tật trên bề mặt mẫu đối với các phép đo.

Tuy nhiên, số lượng điện tử và lỗ trống được ánh sáng nhìn thấy "đưa vào" trong mẫu phải càng nhỏ càng tốt để giảm ngưỡng nhạy cảm trong quá trình đo. Thông thường, đối với điều này, mẫu được chiếu xạ bằng một photon, nhưng trong trường hợp mẫu dày, một photon đã loại bỏ các hạt không đủ điện tích trong silicon. Một lối thoát đã được tìm thấy trong việc chiếu xạ mẫu bằng hai photon của ánh sáng nhìn thấy. Sau đó, bức xạ terahertz tự do đi qua mẫu với số lượng tối thiểu các hạt mang điện trong khối vật liệu. Theo các nhà khoa học, ngưỡng nhạy cảm đã giảm 10 nghìn tỷ từ 100 nghìn tỷ hạt mang điện trên mỗi cm2 xuống 10 nghìn tỷ.

Ngay sau khi ngưỡng nhạy cảm được hạ xuống, điều ngạc nhiên đã trở nên rõ ràng. Tính linh động của các electron trong silicon hóa ra có thể phát triển thậm chí đến trạng thái rất hiếm của các hạt tải điện trong vật liệu, điều mà trước đây không ai nghi ngờ. Trên thực tế, bản thân tính di động hóa ra đã cao hơn 50% so với suy nghĩ trước đây. Để kiểm tra đối chứng, một thí nghiệm tương tự đã được thực hiện với gali arsenide (GaAs), cũng là một chất bán dẫn cảm quang. Người ta nhận thấy rằng tính di động của các hạt mang điện tích trong vật liệu này tiếp tục phát triển khi mật độ của chúng giảm đi. Giới hạn mật độ sóng mang được đo bằng phương pháp mới hóa ra thấp hơn khoảng 100 lần so với suy nghĩ trước đây.

Trong tương lai xa hoặc không xa, chất bán dẫn sẽ có thể hoạt động ở mức điện tích rất thấp. Ít nhất thì giới hạn lý thuyết đã được đẩy đủ xa. Đây là những tấm pin mặt trời có độ nhạy cao và máy dò đơn photon (xin chào các bạn với máy tính lượng tử!), Thiết bị điện tử siêu hiệu quả và hơn thế nữa.