הסיליקון שומר על מוליכות ברמות טעינה נמוכות במיוחד 01.03.2020

חוקרים מהמכון הלאומי האמריקאי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) המציאו שיטה חדשה למדידת ניידות של חלקיקים טעונים בסיליקון, שאם לא התהפכה, אז הרחיבה משמעותית את ההבנה של תהליכי העברת מטען במוליכים למחצה.

השיטה שהציעו המדענים אפשרה לבצע את המדידות הרגישות ביותר של מהירות התנועה של מטען חשמלי בסיליקון, וזהו אינדיקטור ליעילותו כמוליך למחצה. כתוצאה מכך, השיטה החדשה תאפשר להעריך בצורה מדויקת יותר את ההשפעה של דופנטים מסוימים על מוליכות הסיליקון ותהווה בסיס לשיפור המאפיינים של התקני מוליכים למחצה. זוהי הזדמנות לשפר את הביצועים של השבבים כמעט ללא שום דבר רק באמצעות הבנה טובה יותר של התהליכים. בצע כוונון, כביכול.

באופן מסורתי, הניידות של אלקטרונים וחורים בסיליקון נמדדה בשיטת הול. שיטה זו מניחה שמגעים מולחמים על מדגם של סיליקון (מוליכים למחצה) כדי להעביר זרם חשמלי. החיסרון בשיטה זו הוא שמופיעים פגמים או זיהומים בנקודות ההלחמה, שמכניסים עיוותים לתוצאות המדידה.

למען טוהר הניסוי, מדענים מ-NIST השתמשו בשיטה ללא מגע. דגימת הסיליקון נחשפה תחילה לאור בעוצמה נמוכה בצורה של פולסים קצרים במיוחד של אור נראה, ולאחר מכן הוקרנה הדגימה בפולסי קרינה בטווח האינפרא אדום הרחוק או המיקרוגל. אור נראה חלש יצר אפקט פוטודופינג על הסיליקון: חלקיקים טעונים הופיעו בשכבת הסיליקון בצורה של אלקטרונים וחורים.

אור נראה, מסיבות ברורות, לא יכול היה לחדור לתוך עובי הסיליקון. לצורך כך הוקרנה הדגימה הפוטודומית בקרינת טרה-הרץ (בתחום האינפרא אדום הרחוק), שעבורה הסיליקון שקוף. וככל שיש יותר חלקיקים טעונים בדגימה, כך יותר אור חודר או נספג בדגימה. חשוב לציין כאן שלצורך מדידה מדויקת יותר של ניידות האלקטרונים בדגימה, עוביו היה צריך להיות די גדול, עד 1 מ"מ. זה שלל את ההשפעה של פגמים על פני הדגימה על המדידות.

עם זאת, מספר האלקטרונים והחורים ש"מוכנסים" על ידי האור הנראה למדגם היה צריך להיות קטן ככל האפשר על מנת להוריד את סף הרגישות במהלך המדידות. בדרך כלל, לשם כך, הדגימה הוקרנה בפוטון אחד, אך במקרה של דגימה עבה, פוטון אחד הוציא חלקיקים טעונים לא מספיק בסיליקון. נמצאה מוצא בהקרנת המדגם בשני פוטונים של אור נראה. לאחר מכן, קרינת טרה-הרץ עברה בחופשיות דרך המדגם עם מספר מינימלי של חלקיקים טעונים בחלק הארי של החומר. לפי מדענים, סף הרגישות הופחת בפקטור של 10 מ-100 טריליון נושאי מטען לסמ"ר ל-2 טריליון.

ברגע שהורד סף הרגישות התברר המפתיע. ניידות האלקטרונים בסיליקון התבררה כמסוגלת לגדול אפילו למצב נדיר מאוד של נשאים בחומר, שאיש לא חשד בו קודם לכן. למעשה, הניידות עצמה התבררה כגבוהה ב-50% ממה שחשבו בעבר. לצורך בדיקת בקרה, בוצע ניסוי דומה עם גליום ארסניד (GaAs), גם הוא מוליך למחצה רגיש לאור. נמצא כי הניידות של נושאי המטען בחומר זה ממשיכה לגדול ככל שצפיפותם פוחתת. מגבלת צפיפות הנשאים שנמדדה בשיטה החדשה התבררה כנמוכה בכפי 100 ממה שחשבו בעבר.

בעתיד הרחוק או לא עד כה, מוליכים למחצה יוכלו לפעול ברמות טעינה נמוכות מאוד. לפחות הגבול התיאורטי נדחק מספיק. מדובר בפאנלים סולאריים רגישים במיוחד, וגלאי פוטון בודד (שלום למחשבים קוונטיים!), אלקטרוניקה יעילה במיוחד ועוד ועוד.