Vertaling van 'n artikel deur skrywers van IBM Research.
'n Belangrike deurbraak in fisika sal ons in staat stel om die fisiese eienskappe van halfgeleiers in baie groter besonderhede te bestudeer. Dit kan help om die ontwikkeling van volgende generasie halfgeleiertegnologie te versnel.
Skrywers:
— Personeellid, IBM Research
Doug Bishop - Karakteriseringsingenieur, IBM Research
Halfgeleiers is die basiese boustene van vandag se digitale elektroniese era, wat ons voorsien van 'n verskeidenheid toestelle wat ons moderne lewens bevoordeel, soos rekenaars, slimfone en ander mobiele toestelle. Verbeterings in halfgeleierfunksionaliteit en -werkverrigting maak ook die volgende generasie halfgeleiertoepassings in rekenaar-, waarneming- en energieomskakeling moontlik. Navorsers het lank gesukkel om die beperkings in ons vermoë om die elektroniese ladings binne halfgeleiertoestelle en gevorderde halfgeleiermateriaal ten volle te verstaan wat ons vermoë om vorentoe te beweeg, terughou, te oorkom.
In 'n nuwe studie in die joernaal 'n Navorsingsamewerking gelei deur IBM Research beskryf 'n opwindende deurbraak in die oplossing van 'n 140 jaar oue raaisel in fisika, een wat ons in staat sal stel om die fisiese eienskappe van halfgeleiers in baie groter besonderhede te bestudeer en die ontwikkeling van nuwe en verbeterde halfgeleiersmateriaal moontlik te maak.
Om die fisika van halfgeleiers werklik te verstaan, moet ons eers die fundamentele eienskappe van ladingsdraers binne materiale verstaan, of dit negatiewe of positiewe deeltjies is, hul spoed in 'n toegepaste elektriese veld, en hoe dig hulle in die materiaal gepak is. Fisikus Edwin Hall het 'n manier gevind om hierdie eienskappe te bepaal in 1879 toe hy ontdek het dat 'n magnetiese veld die beweging van elektronladings binne 'n geleier sal afbuig, en dat die hoeveelheid afbuiging gemeet kan word as die potensiaalverskil loodreg op die rigtingvloei van gelaaide deeltjies, soos getoon in Figuur 1a. Hierdie spanning, bekend as die Hall-spanning, openbaar betekenisvolle inligting oor die ladingsdraers in die halfgeleier, insluitend of dit negatiewe elektrone of positiewe kwasideeltjies is wat "gate" genoem word, hoe vinnig hulle in 'n elektriese veld beweeg, of hul "mobiliteit" (µ ), en hul konsentrasie (n) binne die halfgeleier.
140 jaar oue raaisel
Dekades ná Hall se ontdekking het navorsers ook ontdek dat hulle met lig metings van die Hall-effek kon maak—eksperimente wat foto-Hall genoem word, sien Figuur 1b. In sulke eksperimente genereer ligbeligting veelvuldige draers, of elektron-gat-pare, in halfgeleiers. Ongelukkig het ons begrip van die basiese Hall-effek insig verskaf in slegs die meerderheid (of meerderheid) ladingdraers. Die navorsers was nie in staat om parameters gelyktydig uit beide media (major en nie-major) te onttrek nie. Sulke inligting is die sleutel vir baie ligverwante toepassings, soos sonpanele en ander opto-elektroniese toestelle.
IBM Research tydskrif studie onthul een van die langbewaarde geheime van die Hall-effek. Navorsers van die Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, en IBM het 'n nuwe formule en tegniek ontdek wat ons in staat stel om gelyktydig inligting oor die basiese en nie-basiese te onttrek. draers, soos hul konsentrasie en mobiliteit, asook verkry addisionele inligting oor die leeftyd van die draer, diffusie lengte en die rekombinasie proses.
Meer spesifiek, in 'n foto-Hall-eksperiment dra beide draers by tot veranderinge in geleidingsvermoë (σ) en Hall-koëffisiënt (H, eweredig aan die verhouding van die Hall-spanning tot die magnetiese veld). Sleutelinsigte kom van die meting van geleidingsvermoë en Hall-koëffisiënt as 'n funksie van ligintensiteit. Versteek in die vorm van die geleidingsvermoë-Hall-koëffisiëntkromme (σ-H) toon fundamenteel nuwe inligting: die verskil in die mobiliteit van beide draers. Soos in die artikel bespreek, kan hierdie verhouding elegant uitgedruk word:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Om te begin met 'n bekende meerderheidsdraerdigtheid van 'n tradisionele Hall-meting in die donker, kan ons vir beide die meerderheid en minderheid draermobiliteit en -digtheid openbaar as 'n funksie van ligintensiteit. Die span het die nuwe meetmetode genoem: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Met 'n bekende intensiteit van ligbeligting kan die leeftyd van die draer op 'n soortgelyke manier vasgestel word. Hierdie verband en sy oplossings is vir byna 'n eeu en 'n half weggesteek sedert die ontdekking van die Hall-effek.
Afgesien van vooruitgang in hierdie teoretiese begrip, is vooruitgang in eksperimentele metodes ook van kritieke belang om hierdie nuwe metode moontlik te maak. Die metode vereis 'n suiwer meting van die Hall-sein, wat moeilik kan wees vir materiale waar die Hall-sein swak is (byvoorbeeld as gevolg van lae mobiliteit) of wanneer bykomende ongewenste seine teenwoordig is, soos met sterk ligbestraling. Om dit te doen, is dit nodig om 'n Hall-meting uit te voer deur 'n ossillerende magnetiese veld te gebruik. Net soos wanneer jy na die radio luister, moet jy die frekwensie van die verlangde stasie kies en alle ander frekwensies wat as geraas optree, weggooi. Die CRPH-metode gaan 'n stap verder en kies nie net die verlangde frekwensie nie, maar ook die fase van die ossillerende magneetveld deur gebruik te maak van 'n metode genaamd sinchronous sensing. Hierdie konsep van ossillerende Hall-meting is lank reeds bekend, maar die tradisionele metode om 'n stelsel van elektromagnetiese spoele te gebruik om 'n ossillerende magnetiese veld op te wek was ondoeltreffend.
Vorige ontdekking
Soos dikwels in die wetenskap gebeur, word vooruitgang op een gebied gedryf deur ontdekkings in 'n ander. In 2015 het IBM Research 'n voorheen onbekende verskynsel in fisika gerapporteer wat geassosieer word met 'n nuwe magnetiese veldbeperkingseffek genaamd die "kameelbult"-effek, wat plaasvind tussen twee lyne van dwarsdipole wanneer hulle 'n kritieke lengte oorskry, soos in Figuur 2a getoon. Die effek is 'n sleutelkenmerk wat 'n nuwe tipe natuurlike magnetiese lokval moontlik maak wat 'n parallelle dipoollynval (PDL-val) genoem word, soos in Figuur 2b getoon. Magnetiese PDL lokval kan gebruik word as 'n nuwe platform vir 'n verskeidenheid van waarneming toepassings soos kantelmeter, seismometer (aardbewing sensor). Sulke nuwe sensorstelsels, tesame met grootdatategnologieë, kan baie nuwe toepassings oopmaak, en word ondersoek deur die IBM Navorsingspan wat 'n grootdata-ontledingsplatform genaamd IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) ontwikkel, wat 'n magdom geospatiale bevat en Internet of Things-data (IoT).
Verbasend genoeg het dieselfde PDL-element nog 'n unieke toepassing. Wanneer dit gedraai word, dien dit as 'n ideale foto-Hall-eksperimentstelsel om 'n eenrigting en suiwer harmoniese ossillasie van die magnetiese veld te verkry (Figuur 2c). Nog belangriker, die stelsel bied genoeg spasie om verligting van 'n wye area van die monster toe te laat, wat van kritieke belang is in foto-saal-eksperimente.
Impak
Die nuwe fotosaalmetode wat ons ontwikkel het, stel ons in staat om 'n ongelooflike hoeveelheid inligting uit halfgeleiers te onttrek. In teenstelling met slegs drie parameters wat in die klassieke Hall-meting verkry is, lewer hierdie nuwe metode tot sewe parameters by elk van die ligintensiteite wat getoets is. Dit sluit die mobiliteit van beide elektrone en gate in; die konsentrasie van hul draer onder die invloed van lig; rekombinasie leeftyd; en diffusielengte vir elektrone, gate en ambipolêre tipes. Dit alles kan N keer herhaal word (d.i. die aantal ligintensiteitsparameters wat in die eksperiment gebruik is).
Hierdie nuwe ontdekking en tegnologie sal help om halfgeleier-vorderings in beide bestaande en opkomende tegnologieë te bevorder. Ons het nou die kennis en gereedskap wat nodig is om die fisiese eienskappe van halfgeleiermateriale in groot detail te onttrek. Dit sal byvoorbeeld help om die ontwikkeling van volgende generasie halfgeleiertegnologie te versnel, soos beter sonpanele, beter opto-elektroniese toestelle en nuwe materiale en toestelle vir kunsmatige intelligensie-tegnologie.
artikel gepubliseer op 7 Oktober 2019 in .
Vertaling: Nikolay Marin (), Hoof Tegnologie Beampte IBM in Rusland en die GOS-lande.
Bron: will.com