Die Messung der Qualität von Halbleitermaterialien ist jetzt 100.000 mal empfindlicher

11.04.2019 - USA

Die verbesserte Leistungsfähigkeit der neuen Messtechnik zur Charakterisierung von Materialien in Maßstäben, die viel kleiner sind als alle derzeitigen Technologien, wird die Entdeckung und Untersuchung von 2D-, mikro- und nanoskaligen Materialien beschleunigen.

Die Möglichkeit, die Halbleitereigenschaften von Materialien in kleinen Mengen genau zu messen, hilft den Ingenieuren, den Anwendungsbereich zu bestimmen, für den diese Materialien in Zukunft geeignet sein könnten, insbesondere da die Größe von elektronischen und optischen Geräten immer kleiner wird.

Daniel Wasserman, außerordentlicher Professor am Department of Electrical and Computer Engineering an der Cockrell School of Engineering, leitete das Team, das das physikalische System baute und die Messtechnik entwickelte, die in der Lage war, dieses Niveau an Empfindlichkeit zu erreichen, und demonstrierte erfolgreich seine verbesserte Leistung.

Der Designansatz des Teams konzentrierte sich auf die Entwicklung der Fähigkeit, quantitatives Feedback zur Materialqualität zu geben, mit besonderen Anwendungen für die Entwicklung und Herstellung optoelektronischer Bauelemente. Das demonstrierte Verfahren ist in der Lage, viele der Materialien zu messen, von denen die Ingenieure glauben, dass sie eines Tages allgegenwärtig für optoelektronische Geräte der nächsten Generation sein werden.

Optoelektronik ist die Erforschung und Anwendung von elektronischen Geräten, die Licht erzeugen, erkennen und steuern können. Optoelektronische Vorrichtungen zur Erkennung von Licht, so genannte Photodetektoren, verwenden Materialien, die aus Licht elektrische Signale erzeugen. Photodetektoren finden sich in Smartphone-Kameras, Solarzellen und in den faseroptischen Kommunikationssystemen, die unsere Breitbandnetze ausmachen. In einem optoelektronischen Material ist die Zeit, in der die Elektronen "photoanregt" bleiben oder ein elektrisches Signal erzeugen können, ein zuverlässiger Indikator für die potenzielle Qualität dieses Materials für Photodetektionsanwendungen.

Die derzeitige Methode zur Messung der Trägerdynamik oder Lebensdauer von photoangeregten Elektronen ist kostspielig und komplex und misst nur große Materialproben mit begrenzter Genauigkeit. Das UT-Team entschied sich, eine andere Methode zur Quantifizierung dieser Lebensdauern zu verwenden, indem kleine Mengen der Materialien in speziell entwickelten Mikrowellenresonatorschaltungen platziert wurden. Die Proben werden im Inneren des Resonators konzentrierten Mikrowellenfeldern ausgesetzt. Wenn die Probe mit Licht getroffen wird, ändert sich das Signal der Mikrowellenschaltung, und die Änderung in der Schaltung kann auf einem Standardoszilloskop ausgelesen werden. Der Zerfall des Mikrowellensignals zeigt die Lebensdauer der photoangeregten Ladungsträger in kleinen Volumina des in die Schaltung eingelagerten Materials an.

"Die Messung des Abklingens des elektrischen (Mikrowellen-)Signals ermöglicht es uns, die Lebensdauer der Träger der Materialien mit weitaus größerer Genauigkeit zu messen", sagte Wasserman. "Wir haben festgestellt, dass es eine einfachere, billigere und effektivere Methode ist als die heutigen Ansätze."

Die Lebensdauer des Trägers ist ein kritischer Materialparameter, der einen Einblick in die optische Gesamtqualität eines Materials gibt und gleichzeitig den Anwendungsbereich bestimmt, für den ein Material verwendet werden könnte, wenn es in eine Photodetektor-Vorrichtungsstruktur integriert ist. Beispielsweise können Materialien mit einer sehr langen Trägerlebensdauer von hoher optischer Qualität und damit sehr empfindlich sein, sind aber möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet, die eine hohe Geschwindigkeit erfordern.

"Trotz der Bedeutung der Trägerlebensdauer gibt es nicht viele, wenn überhaupt, berührungslose Möglichkeiten zur Charakterisierung kleinflächiger Materialien wie Infrarot-Pixel oder 2D-Materialien, die in den letzten Jahren an Popularität und technologischer Bedeutung gewonnen haben", sagte Wasserman.

Ein Bereich, der sicher von den praktischen Anwendungen dieser Technologie profitieren wird, ist die Infrarot-Detektion, eine wichtige Komponente in der molekularen Sensorik, der Wärmebildtechnik und bestimmten Verteidigungs- und Sicherheitssystemen.

"Ein besseres Verständnis von Infrarotmaterialien könnte zu Innovationen bei Nachtsichtbrillen oder Infrarotspektroskopie- und Sensorsystemen führen", sagte Wasserman.

Hochgeschwindigkeitsdetektoren, die mit diesen Frequenzen arbeiten, könnten sogar die Entwicklung einer Freiraumkommunikation im langwelligen Infrarot ermöglichen - eine Technologie, die eine drahtlose Kommunikation unter schwierigen Bedingungen, im Weltraum oder zwischen Gebäuden in städtischen Gebieten ermöglicht.

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Originalveröffentlichung

Sukrith Dev, Yinan Wang, Kyounghwan Kim, Marziyeh Zamiri, Clark Kadlec, Michael Goldflam, Samuel Hawkins, Eric Shaner, Jin Kim, Sanjay Krishna, Monica Allen, Jeffery Allen, Emanuel Tutuc & Daniel Wasserman; "Measurement of carrier lifetime in micron-scaled materials using resonant microwave circuits"; Nature Communications; Volume 10, Article number: 1625 (2019)

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