Các nhà nghiên cứu Hàn Quốc phát triển một phương pháp phân tích mới, có khả năng phát hiện “khuyết tật ẩn” trong chất bán dẫn với độ nhạy cao hơn khoảng 1.000 lần so với các kỹ thuật hiện có. Các khuyết tật này, được gọi là bẫy điện tử, là các bất thường vô hình, có thể làm gián đoạn dòng điện trong các vật liệu dùng trong thiết bị bán dẫn như chip nhớ và pin mặt trời.

Theo các nhà nghiên cứu tại Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), công nghệ này cho phép các kỹ sư hiểu rõ hơn về sự suy giảm hiệu suất. Qua đó, cải thiện hiệu suất và tuổi thọ hoạt động của chất bán dẫn, đồng thời giảm thời gian và chi phí phát triển, bằng cách cho phép phân tích chính xác hơn lỗi khuyết tật trong quá trình thiết kế và thử nghiệm.

Chất bán dẫn là vật liệu thiết yếu, dùng trong các thiết bị như chip nhớ, pin mặt trời. Nhưng bên trong vật liệu này, có thể tồn tại các khuyết tật vô hình, gọi là “khuyết tật ẩn” hay bẫy điện tử. Các khuyết tật này giữ lại electron, cản trở sự chuyển động của chúng, ngăn cản dòng điện di chuyển trơn tru. Khi điều này xảy ra, thiết bị có thể gặp phải hiện tượng rò rỉ điện, giảm hiệu suất.

Kỹ thuật đo lường mới phát triển, có thể đồng thời phân tích hai yếu tố quan trọng: các bẫy điện tử ngăn cản dòng điện và chuyển động của các hạt mang điện, như electron, di chuyển qua chất bán dẫn. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách các khuyết tật ảnh hưởng đến điện truyền đi bên trong vật liệu.

Bằng cách đo chính xác số lượng bẫy điện tử và khả năng giữ lại electron của chúng, các kỹ sư có thể đánh giá chất lượng chất bán dẫn chính xác hơn. Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp này có thể dẫn đến thiết bị bán dẫn hoạt động tốt hơn, bền hơn, đồng thời giảm thời gian và chi phí phát triển, bằng cách giúp dễ dàng xác định chính xác nguồn gốc của các khuyết tật.

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng phương pháp của họ dựa trên phép đo Hall, một phương pháp đã được chứng minh hiệu quả trong thực tế, để nghiên cứu cách các electron di chuyển bên trong chất bán dẫn dưới tác động của điện trường và từ trường.

Để mở rộng phạm vi nghiên cứu của kỹ thuật này, họ đã đưa vào việc chiếu sáng có kiểm soát và thay đổi nhiệt độ trong quá trình đo. Sự điều chỉnh này cho phép họ quan sát các đặc tính điện mà phép đo Hall thông thường không thể ghi nhận được.

Khi chất bán dẫn được chiếu sáng yếu, các electron mới được tạo ra trước tiên bị hấp thụ bởi các bẫy điện tử bên trong vật liệu. Khi cường độ ánh sáng tăng dần, các bẫy này dần dần được lấp đầy. Khi đạt trạng thái bão hòa, các electron bổ sung có thể di chuyển tự do trong chất bán dẫn.

Bằng cách theo dõi cẩn thận các thay đổi trong tín hiệu điện trong quá trình chuyển đổi này, nhóm nghiên cứu đã tính toán được cả số lượng bẫy điện tử hiện có và cường độ tương tác của chúng với các electron.

Một ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng cung cấp nhiều thông số quan trọng từ một thí nghiệm duy nhất. Nó cung cấp dữ liệu về độ linh động, thời gian và quãng đường di chuyển của electron, đồng thời tiết lộ các đặc tính của các khuyết tật gây cản trở dòng electron.

Để xác nhận độ chính xác, nhóm nghiên cứu thử nghiệm kỹ thuật này trước tiên trên silicon. Sau đó, họ áp dụng cho vật liệu perovskite dùng trong các pin mặt trời thế hệ tiếp theo. Trong cả hai trường hợp, phương pháp này đều phát hiện ra mật độ bẫy điện tử cực thấp, đạt độ nhạy cao hơn khoảng 1.000 lần so với các kỹ thuật hiện có.

Các nhà nghiên cứu cho rằng, phương pháp mới này dự kiến ​​sẽ là công cụ quan trọng để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của nhiều loại thiết bị bán dẫn, như chip nhớ và pin mặt trời. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Science Advances.