Раскрывая 140-летний секрет в физике

Перевод статьи авторов из IBM Research.

Важный прорыв в физике позволит изучить физические характеристики полупроводников в гораздо больших подробностях. Возможно, это поможет ускорить развитие полупроводниковой технологии следующего поколения.

Авторы:
Oki Gunawan — Staff Member, IBM Research
Doug Bishop — Characterization Engineer, IBM Research

Полупроводники являются основными строительными блоками сегодняшнего цифрового, электронного века, обеспечивая для нас многообразие устройств, приносящих пользу в нашу современную жизнь, таких как компьютер, смартфоны и иные мобильные устройства. Улучшения в функциональности и производительности полупроводников позволяют также обеспечивать применения следующего поколения полупроводников для вычислений, распознаваний и преобразований энергии. Исследователи уже долго борются над преодолением ограничений нашей способности полностью понять электронные заряды внутри полупроводниковых устройств и продвинутых полупроводниковых материалов, сдерживающих нашу возможность далее двигаться вперёд.

В новом исследовании в журнале Nature научно-исследовательское соавторство, возглавляемое IBM Research, описывает захватывающий прорыв в раскрытии 140-летней тайны в физике, той, которая позволит нам изучить физические характеристики полупроводников в гораздо больших подробностях и обеспечить развитие новых улучшенных полупроводниковых материалов.

Чтобы действительно понять физику полупроводников, мы должны сначала познать фундаментальные свойства носителей заряда внутри материалов, отрицательные ли это частицы или положительные, их скорость в приложенном электрическом поле и насколько плотно они упакованы в материале. Физик Эдвин Холл нашёл способ определять эти свойства в 1879 году, когда он обнаружил, что магнитное поле отклонит движение электронных зарядов внутри проводника, и что величина отклонения может быть измерена как разница потенциалов перпендикулярная к направленному потоку заряженных частиц, как показано на рисунке Figure 1a. Это напряжение, известное как холловское напряжение, открывает значимую информацию о носителях заряда в полупроводнике, включая то являются ли они отрицательными электронами или положительными квазичастицами, называемыми “дырками”, на сколько быстро они двигаются в электрическом поле, или их “подвижность” (µ), и их концентрацию (n) внутри полупроводника.

140-летняя тайна

Через десятилетия после открытия Холла исследователи также обнаружили, что они могут производить измерения эффекта Холла со светом — эксперименты, называемые фото-Холл, см. рисунок Figure 1b. В подобных экспериментах световое освещение генерирует множественные носители или пары электрон-дырки в полупроводниках. К сожалению, наше понимание основного эффекта Холла обеспечивало постижение только основных носителей заряда (или носителей большинства). Исследователи были неспособны извлечь параметры обоих носителей (основного и неосновного) одновременно. Подобная информация является ключевой для многих приложений, имеющих отношение к свету, таких как солнечные панели и другие оптоэлектронные устройства.

Исследование IBM Research в журнале Nature раскрывает один из долго хранимых секретов эффекта Холла. Исследователи из Корейского института передовых технологий (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST), Корейского исследовательского института химических технологий (Korea Research Institute of Chemical Technology, KRICT), Дюкский университет (Duke University), и IBM обнаружили новую формулу и технику, которая позволяет нам одновременно извлекать информацию об основном и неосноном носителе, такую как их концентрация и подвижность, равно как и получить дополнительные сведения о продолжительности существования носителя, диффузионной длине и процессе рекомбинации.

Конкретнее, в эксперименте фото-Холл оба носителя способствуют изменениям в проводимости (σ) и коэффициенте Холла (H, пропорциональном соотношению напряжения Холла к магнитному полю). Ключевое понимание приходит от измерения проводимости и коэффициента Холла как функции от интенсивности света. Скрытое в форме кривой проводимость- коэффициент Холла (σ-H) показывает принципиально новую информацию: разницу в подвижности обоих носителей. Как обсуждается в статье, эта связь может быть выражена элегантно:

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

Начиная с известной плотности носителей большинства из традиционного измерения Холла в темноте, мы можем раскрыть как для большинства, так и для меньшинства подвижность и плотность носителей как функцию от интенсивности света. Команда назвала новый измерительный метод: разрешённый носителем фото-Холл (Carrier-Resolved Photo Hall, CRPH). При известной интенсивности светового освещения срок существования носителя может быть установлен аналогичным образом. Эта связь и связанные с ней решения были скрыты в течение почти полутора веков, с момента открытия эффекта Холла.

Помимо достижений в этом теоретическом понимании, достижения в экспериментальных методах тоже имеют решающее значение для обеспечения этого нового метода. Метод требует чистого измерения сигнала Холла, которое может быть затруднено для материалов где сигнал Холла слаб (например, по причине низкой подвижности) или когда присутствуют дополнительные нежелательные сигналы, как при сильном световом облучении. Для этого необходимо выполнить измерение Холла с помощью колеблющегося магнитного поля. Как и при прослушивании радио, необходимо выбрать частоту требуемой станции, отбрасывая все другие частоты, которые действуют как шум. Метод CRPH идет на шаг вперёд, и выбирает не только желаемую частоту, но также и фазу колеблющегося магнитного поля по методу, называемому синхронное определение. Эта концепция колеблющегося измерения Холла (oscillating Hall measurement) была давно известна, но традиционный метод с использованием системы электромагнитных катушек, чтобы сгенерировать колеблющееся магнитное поле был неэффективен.

Предшествующее открытие

Как часто случается в науке, продвижения в одной области вызваны открытиями в другой. В 2015 году IBM Research сообщил о ранее неизвестном феномене в физике, связанном с новым эффектом заключения магнитного поля, названном эффект “верблюжьего горба”, которое происходит между двумя линиями поперечных диполей, когда они превышают критическую длину, как показано на рисунке Figure 2a. Эффект является ключевой особенностью, которая обеспечивает новый тип естественной магнитной ловушки, называемой ловушкой параллельного диполя (parallel dipole line trap, PDL trap), как показано на рисунке Figure 2b. Магнитная PDL-ловушка может использоваться в качестве новейшей платформы для разнообразных сенсорных приложений, таких как наклонометр, сейсмометр (датчик землетрясений). Подобные новые системы датчиков вместе с технологиями больших данных могут открыть множество новых приложений, и изучаются командой IBM Research, разрабатывающей платформу аналитики больших данных под названием IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), которая содержит множество геопространственных данных и данных интернета вещей Internet of Things (IoT).

Удивительным образом, тот же самый PDL-элемент имеет и другое уникальное применение. Когда вращается, он служит идеальной системой для фото-Холл эксперимента, чтобы получать однонаправленное и чистое гармоническое колебание магнитного поля (рисунок Figure 2c). Важнее то, что система предоставляет достаточно пространства, чтобы позволить освещение обширного района образца, что критично в экспериментах фото-Холла.

Влияние

Разработанный новый метод для фото-Холла позволяет нам извлекать удивительный объём информации из полупроводников. В отличие от только трёх параметров, получаемых в классическом Холловском измерении, этот новый метод приносит до семи параметров на каждой из опробованных интенсивностей света. Это включает в себя подвижность как электронов, так и дырок; концентрацию их носителя под воздействием света; время жизни рекомбинации; и длину диффузии для электронов, дырок и амбиполярного типа. Всё это может быть повторено N раз (т.е. количество параметров интенсивности света, используемое в эксперименте).

Это новое открытие и технология помогут продвинуть полупроводниковые достижения как в существующих, так и в зарождающихся технологиях. У нас теперь есть знания и инструменты, необходимые для извлечения физических характеристик полупроводниковых материалов с большой детализацией. Например, это поможет ускорить развитие полупроводниковой технологии следующего поколения, таких как лучшие солнечные панели, лучшие оптоэлектронные приборы и новые материалы и устройства для технологий искусственного интеллекта.

Оригинал статьи опубликован 7-го октября 2019 года в блоге IBM Research.
Перевод: Николай Марин (NikolayMarin), Chief Technology Officer IBM в России и странах СНГ.

Источник: habr.com