Разкривайки 140-годишна тайна в физиката

Превод на статия от авторите на IBM Research.

Важен пробив в физиката ще позволи да се изучат физичните характеристики на полупроводниците в значително по-големи подробности. Вероятно това ще помогне за ускоряване на развитието на полупроводниковата технология от следващо поколение.

Автори:
Оки Гунавън — Член на екипа, IBM Research
Дъг Бишоп — Инженер по характеристизиране, IBM Research

Полупроводниците са основните строителни блокове на днешната цифрова, електронна ера, предлагайки ни разнообразие от устройства, които са полезни в съвременния ни живот, като компютри, смартфони и други мобилни устройства. Подобренията в функционалността и производителността на полупроводниците също така позволяват внедряване на полупроводници от следващо поколение за изчисления, разпознаване и преобразуване на енергия. Изследователите отдавна се опитват да преодолеят ограниченията на нашата способност да разберем напълно електронните заряди в полупроводниковите устройства и напредналите полупроводникови материали, които ограничават нашата способност да напредваме.

В ново изследване в списание Nature научно-изследователското съавторство, ръководено от IBM Research, описва вълнуващ пробив в разкритие на 140-годишната тайна в физиката, която ще ни позволи да изучаваме физичните характеристики на полупроводниците в значително по-големи подробности и да осигурим развитието на нови усъвършенствани полупроводникови материали.

За да разберем наистина физиката на полупроводниците, първо трябва да познаем фундаменталните свойства на носителите на заряд в материалите, дали са отрицателни или положителни частици, скоростта им в прилаганото електрическо поле и колко плътно са опаковани в материала. Физикът Едвин Холл откри начин да определя тези свойства през 1879 година, когато откри, че магнитното поле отклонява движението на електронни заряди в проводник, и че величината на отклонението може да бъде измерена като разлика на потенциали, перпендикулярна на посочения поток на заредените частици, както е показано на рисунка Figure 1a. Това напрежение, известно като холловско напрежение, предоставя значима информация за носителите на заряд в полупроводника, включително дали са отрицателни електрони или положителни квазичастици, наречени “дупки”, колко бързо се движат в електрическото поле или тяхната “мобилност” (µ) и тяхната концентрация (n) в полупроводника.

140-годишна тайна

През десетилетията след откритията на Холл, изследователите също така установили, че могат да извършват измервания на ефекта Холл със светлина — експерименти, наречени фото-Холл, вижте рисунка Figure 1b. В подобни експерименти светлинното осветление генерира множество носители или двойки електрон-дупка в полупроводниците. За съжаление, нашето разбиране за основния ефект Холл позволяваше схващането само на основните носители на заряд (или носители на повечето). Изследователите не успяха да изтеглят параметрите на двата носителя (основния и неосновния) едновременно. Подобна информация е ключова за много приложения, свързани с светлина, като соларни панели и други оптоелектронни устройства.

Изследване на IBM Research в списание Nature разкрива един от дълго съхраняваните тайни на Холовия ефект. Изследователи от Корейския институт за напреднали технологии (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST), Корейския изследователски институт по химически технологии (Korea Research Institute of Chemical Technology, KRICT), Дюкския университет (Duke University) и IBM откриха нова формула и техника, която ни позволява да извличаме информация за основния и неосновния носител едновременно, като тяхната концентрация и подвижност, а също и да получим допълнителни данни за времето на съществуване на носителя, дифузионната дължина и процеса на рекомбинация.

По-конкретно, в експеримента фото-Холл и двата носителя допринасят за промените в проводимостта (σ) и Холовия коефициент (H, пропорционален на съотношението между напрежението Хол и магнитното поле). Ключовото разбиране идва от измерването на проводимостта и Холовия коефициент като функция на интензивността на светлината. Скрита под формата на крива проводимост-коефициент Хол (σ-H) показва принципно нова информация: разликата в подвижността на двата носителя. Както се обсъжда в статията, тази връзка може да бъде изразена елегантно:

$$display$$ Δµ = d (σ²H)\/dσ$$display$$

Започвайки с известната плътност на носителите, свързана с традиционното измерване на Хол в тъмнина, можем да разкрием както за повечето, така и за малцинството подвижност и плътност на носителите като функция на интензивността на светлината. Екипът нарече новия метод на измерване: разрешен носител фото-Холл (Carrier-Resolved Photo Hall, CRPH). При известна интензивност на светлината, срокът на съществуване на носителя може да бъде установен по аналогичен начин. Тази връзка и свързаните с нея решения бяха скрити почти година и половина, откакто бе открит Холовият ефект.

В допълнение към постиженията в това теоретично разбиране, напредъкът в експерименталните методи също играе решаваща роля за утвърдването на този нов метод. Методът изисква чисто измерване на Холловия сигнал, което може да бъде затруднено за материали, при които Холловият сигнал е слаб (например, поради ниска подвижност) или когато присъстват допълнителни нежелани сигнали, както при силно светлинно облъчване. За това е необходимо да се извърши измерване на Холла с помощта на колебаещо се магнитно поле. Както при слушане на радио, трябва да се избере честотата на желаната станция, отхвърляйки всички други честоти, които действат като шум. Методът CRPH прави крачка напред и избира не само желаната честота, но също така и фазата на колебаещото се магнитно поле по метод, наречен синхронно определение. Тази концепция за колебаещото се измерване на Холла (oscillating Hall measurement) е известна отдавна, но традиционният метод с използване на система от електромагнитни намотки за генериране на колебаещо се магнитно поле е бил неефективен.

Предходно откритие

Както често се случва в науката, напредъкът в една област е предизвикан от открития в друга. През 2015 г. IBM Research съобщи за преди неизвестен феномен в физиката, свързан с новия ефект на компресия на магнитното поле, наречен ефект "камилска гърбица", който се среща между две линии на поперечни диполи, когато те надвишат критичната дължина, както е показано на фигура Figure 2a. Ефектът е ключова характеристика, която осигурява нов тип естествена магнитна капан, наречен капан на паралелен дипол (parallel dipole line trap, PDL trap), както е показано на фигура Figure 2b. Магнитната PDL-капана може да се използва като нова платформа за разнообразни сензорни приложения, като наклономер, сеизмични метри (датчици за земетресения). Подобни нови системи от датчици, заедно с технологии за големи данни, могат да открият множество нови приложения и се изследват от екипа на IBM Research, разработващ платформа за аналитика на големи данни, наречен IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), която съдържа множество геопространствени данни и данни от интернет на нещата (Internet of Things, IoT).

По удивителен начин, същият PDL елемент има и друго уникално приложение. Когато се върти, той служи като идеална система за фото-Холл експерименти, за да се получи еднопосочно и чисто хармонично колебание на магнитното поле (фигура Figure 2c). По-важно е, че системата предоставя достатъчно пространство, за да освети обширна част от пробата, което е критично за фото-Холл експериментите.

Влияние

Разработената нова методология за фото-Холл ни позволява да извлечем удивителен обем информация от полупроводниците. В отличие от само трите параметъра, получавани в класическите Холлови измервания, този нов метод предоставя до седем параметъра при всяка от тестваните интензивности на светлината. Това включва подвижността както на електроните, така и на дупките; концентрацията на носителите им под въздействие на светлината; времето за живот на рекомбинацията; и дължината на дифузия за електроните, дупките и амбиполярния тип. Всичко това може да бъде повторено N пъти (т.е. броят на параметрите на интензивността на светлината, използвани в експеримента).

Това ново откритие и технология ще помогнат за напредване на полупроводниковите достижения както в съществуващи, така и в нововъзникващи технологии. Сега разполагаме с знания и инструменти, необходими за извличане на физическите характеристики на полупроводниковите материали с голяма детайлност. Например, това ще ускори развитието на полупроводниковата технология от следващо поколение, като по-добрите слънчеви панели, по-добрите оптоелектронни устройства и нови материали и устройства за технологии на изкуствения интелект.

Оригинал статията е публикувана на 7-ми октомври 2019 година в блога на IBM Research.
Превод: Николай Марин (NikolayMarin), Главен технически директор на IBM в Русия и страните от ОНД.

Източник: habr.com