O silício retém a condutividade em níveis de carga ultrabaixos 01.03.2020

Pesquisadores do Instituto Nacional Americano de Padrões e Tecnologia (NIST) criaram um novo método para medir a mobilidade de partículas carregadas em silício, que, se não for derrubado, expandiu significativamente a compreensão dos processos de transferência de carga em semicondutores.

O método proposto pelos cientistas permitiu realizar as medições mais sensíveis da velocidade de movimento de uma carga elétrica no silício, e isso é um indicador de sua eficácia como semicondutor. Como resultado, o novo método permitirá avaliar com mais precisão o efeito de certos dopantes na condutividade do silício e servirá de base para melhorar as características dos dispositivos semicondutores. Esta é uma chance de melhorar o desempenho dos chips quase à toa, apenas através de uma melhor compreensão dos processos. Realize o ajuste, por assim dizer.

Tradicionalmente, a mobilidade de elétrons e buracos no silício era medida pelo método Hall. Este método assume que os contatos são soldados em uma amostra de silício (semicondutor) para passar uma corrente elétrica. A desvantagem deste método é que defeitos ou impurezas aparecem nos pontos de solda, o que introduz distorções nos resultados da medição.

Para a pureza do experimento, os cientistas do NIST usaram um método sem contato. A amostra de silício foi primeiro exposta à luz de baixa intensidade na forma de pulsos ultracurtos de luz visível e, em seguida, a amostra foi irradiada com pulsos de radiação no infravermelho distante ou na faixa de micro-ondas. A luz visível fraca produziu um efeito de fotodopagem no silício: partículas carregadas apareceram na camada de silício na forma de elétrons e buracos.

A luz visível, por razões óbvias, não conseguia penetrar na espessura do silício. Para isso, a amostra fotodopada foi irradiada com radiação terahertz (na faixa do infravermelho distante), para a qual o silício é transparente. E quanto mais partículas carregadas na amostra, mais luz penetra ou é absorvida pela amostra. É importante notar aqui que para uma medição mais precisa da mobilidade eletrônica na amostra, sua espessura deveria ser bem grande, até 1 mm. Isso descartou a influência de defeitos na superfície da amostra nas medições.

No entanto, o número de elétrons e buracos "introduzidos" pela luz visível na amostra teve que ser o menor possível para diminuir o limiar de sensibilidade durante as medições. Normalmente, para isso, a amostra foi irradiada com um fóton, mas no caso de uma amostra espessa, um fóton nocauteou partículas insuficientemente carregadas no silício. Uma saída foi encontrada em irradiar a amostra com dois fótons de luz visível. Depois disso, a radiação terahertz passou livremente pela amostra com um número mínimo de partículas carregadas na massa do material. Segundo os cientistas, o limite de sensibilidade foi reduzido por um fator de 10 de 100 trilhões de portadores de carga por cm2 para 10 trilhões.

Assim que o limiar da sensibilidade foi reduzido, o surpreendente ficou claro. A mobilidade dos elétrons no silício acabou por ser capaz de crescer até um estado muito rarefeito de portadores no material, que ninguém suspeitava antes. Na verdade, a própria mobilidade acabou sendo 50% maior do que se pensava anteriormente. Para uma verificação de controle, um experimento semelhante foi realizado com arsenieto de gálio (GaAs), também um semicondutor fotossensível. Verificou-se que a mobilidade dos portadores de carga neste material continua a crescer à medida que sua densidade diminui. O limite de densidade de portadores medido pelo novo método acabou sendo cerca de 100 vezes menor do que se pensava anteriormente.

Em um futuro distante ou não tão distante, os semicondutores poderão operar com níveis de carga muito baixos. Pelo menos o limite teórico foi empurrado longe o suficiente. São painéis solares altamente sensíveis e detectores de fóton único (olá para os computadores quânticos!), eletrônicos ultraeficientes e muito mais.