シリコンは超低電荷レベルでも導電性を保持 01.03.2020

アメリカ国立標準技術研究所 (NIST) の研究者は、シリコン内の荷電粒子の移動度を測定する新しい方法を考案しました。この方法が覆されなければ、半導体の電荷移動プロセスの理解が大幅に広がりました。

科学者によって提案された方法により、シリコン内の電荷の移動速度の最も感度の高い測定を実行することが可能になりました。これは、半導体としての有効性の指標です。 その結果、新しい方法は、シリコン導電率に対する特定のドーパントの影響をより正確に評価することを可能にし、半導体デバイスの特性を改善するための基礎を形成します。 これは、プロセスをよりよく理解するだけで、チップのパフォーマンスをほとんど無料で向上させるチャンスです。 いわばチューニングを行います。

従来、シリコン中の電子と正孔の移動度は、ホール法によって測定されていました。 この方法は、接点がシリコン (半導体) のサンプルにはんだ付けされて電流が流れることを前提としています。 この方法の欠点は、はんだ付けポイントに欠陥や不純物が現れ、測定結果に歪みが生じることです。

実験の純度のために、NIST の科学者は非接触法を使用しました。 シリコンサンプルは、最初に可視光の超短パルスの形で低強度の光にさらされ、次にサンプルは遠赤外線またはマイクロ波範囲の放射パルスで照射されました。 弱い可視光がシリコンにフォトドーピング効果をもたらしました。荷電粒子が電子と正孔の形でシリコン層に現れました。

明らかな理由により、可視光はシリコンの厚さに浸透できませんでした。 この目的のために、フォトドープされたサンプルは、シリコンが透明であるテラヘルツ放射（遠赤外線範囲）で照射されました。 また、サンプル内の荷電粒子が多いほど、より多くの光がサンプルに浸透または吸収されます。 ここで、サンプル内の電子移動度をより正確に測定するには、サンプルの厚さを最大 1 mm まで大きくする必要があることに注意することが重要です。 これにより、サンプル表面の欠陥が測定に与える影響が排除されました。

しかし、可視光によってサンプルに「導入される」電子と正孔の数は、測定中の感度しきい値を下げるために、できるだけ少なくする必要がありました。 通常、これには10つの光子がサンプルに照射されますが、厚いサンプルの場合、100つの光子がシリコンの不十分に帯電した粒子をノックアウトします。 解決策は、サンプルに可視光の 2 つの光子を照射することにありました。 その後、テラヘルツ放射は、材料のバルク内の最小数の荷電粒子でサンプルを自由に通過しました。 科学者によると、感度のしきい値は、10 cmXNUMX あたり XNUMX 兆の電荷キャリアから XNUMX 兆に XNUMX 分の XNUMX に減少しました。

感度のしきい値が下がるとすぐに、驚くべきことが明らかになりました。 シリコン内の電子の移動度は、材料内のキャリアが非常に希薄な状態にまで成長できることが判明しました。 実際、機動性自体はこれまで考えられていたよりも 50% 高いことが判明しました。 コントロールチェックのために、同じく感光性半導体であるヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を用いて同様の実験を行った。 この材料の電荷キャリアの移動度は、密度が減少するにつれて増加し続けることがわかりました。 新しい方法で測定されたキャリア密度限界は、これまで考えられていたよりも約 100 倍低いことが判明しました。

近い将来、またはそう遠くない将来、半導体は非常に低い電荷レベルで動作できるようになります。 少なくとも、理論上の限界は十分に押し上げられています。 これらは、高感度のソーラー パネル、単一光子検出器 (量子コンピューターへようこそ!)、超効率的な電子機器などです。