Prijevod članka autora iz IBM Research-a.
Važan napredak u fizici omogućit će nam da proučavamo fizičke karakteristike poluprovodnika mnogo detaljnije. Ovo može pomoći da se ubrza razvoj poluvodičke tehnologije sljedeće generacije.
Autori:
— Član osoblja, IBM Research
Doug Bishop - inženjer karakterizacije, IBM Research
Poluprovodnici su osnovni gradivni blokovi današnjeg digitalnog elektronskog doba, koji nam pružaju niz uređaja koji koriste našim modernim životima, kao što su kompjuteri, pametni telefoni i drugi mobilni uređaji. Poboljšanja u funkcionalnosti i performansama poluvodiča također omogućavaju primjenu poluvodiča sljedeće generacije u računarstvu, senzorima i konverziji energije. Istraživači su se dugo borili da prevladaju ograničenja u našoj sposobnosti da u potpunosti razumijemo elektronske naboje unutar poluvodičkih uređaja i naprednih poluvodičkih materijala koji koče našu sposobnost da idemo naprijed.
U novoj studiji u časopisu Istraživačka saradnja koju vodi IBM Research opisuje uzbudljiv proboj u rješavanju 140 godina stare misterije u fizici, koji će nam omogućiti da proučavamo fizičke karakteristike poluvodiča mnogo detaljnije i omogućiti razvoj novih i poboljšanih poluvodičkih materijala.
Da bismo istinski razumjeli fiziku poluvodiča, prvo moramo razumjeti fundamentalna svojstva nosilaca naboja unutar materijala, bilo da su negativne ili pozitivne čestice, njihovu brzinu u primijenjenom električnom polju i koliko su gusto upakovani u materijal. Fizičar Edwin Hall pronašao je način da odredi ova svojstva 1879. godine kada je otkrio da će magnetsko polje odbiti kretanje naelektrisanja elektrona unutar provodnika i da se količina otklona može mjeriti kao razlika potencijala okomita na usmjereni tok naelektrisanja. čestice, kao što je prikazano na slici 1a. Ovaj napon, poznat kao napon Hola, otkriva značajne informacije o nosiocima naboja u poluvodiču, uključujući da li su negativni elektroni ili pozitivne kvazičestice koje se nazivaju "rupe", koliko se brzo kreću u električnom polju ili njihovu "pokretljivost" (µ ) i njihova koncentracija (n) unutar poluvodiča.
140 godina stara misterija
Decenijama nakon Holovog otkrića, istraživači su takođe otkrili da mogu da vrše merenja Holovog efekta pomoću svetlosti – eksperimenti koji se nazivaju foto-Hall, vidi sliku 1b. U takvim eksperimentima, svjetlosna svjetlost generiše više nosača, ili parova elektron-rupa, u poluvodičima. Nažalost, naše razumijevanje osnovnog Holovog efekta omogućilo je uvid samo u većinu (ili većinske) nosioce naboja. Istraživači nisu bili u mogućnosti da izdvoje parametre iz oba medija (glavnog i ne-glavnog) istovremeno. Takve informacije su ključne za mnoge aplikacije vezane za svjetlo, kao što su solarni paneli i drugi optoelektronski uređaji.
Studija časopisa IBM Research otkriva jednu od dugo čuvanih tajni Holovog efekta. Istraživači sa Korejskog naprednog instituta za nauku i tehnologiju (KAIST), Korejskog istraživačkog instituta za hemijsku tehnologiju (KRICT), Univerziteta Duke i IBM-a otkrili su novu formulu i tehniku koja nam omogućava da istovremeno izvučemo informacije o osnovnim i neosnovnim nosilaca, kao što su njihova koncentracija i pokretljivost, kao i dobijanje dodatnih informacija o životnom veku nosioca, dužini difuzije i procesu rekombinacije.
Tačnije, u foto-Halovom eksperimentu, oba nosioca doprinose promjenama u provodljivosti (σ) i Hallovom koeficijentu (H, proporcionalno odnosu napona Hola i magnetnog polja). Ključni uvidi dolaze iz mjerenja provodljivosti i Holovog koeficijenta kao funkcije intenziteta svjetlosti. Skrivena u obliku krivulje provodljivosti-Halovog koeficijenta (σ-H) pokazuje fundamentalno novu informaciju: razliku u pokretljivosti oba nosioca. Kao što je objašnjeno u članku, ovaj odnos se može elegantno izraziti:
$$prikaz$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$prikaz$$
Počevši od poznate gustine većinskog nosioca iz tradicionalnog Holovog merenja u mraku, možemo otkriti mobilnost i gustinu većinskog i manjinskog nosioca kao funkciju intenziteta svetlosti. Tim je nazvao novu metodu mjerenja: foto dvorana sa rezolucijom nosioca (CRPH). Sa poznatim intenzitetom osvetljenja svetlosti, životni vek nosača se može utvrditi na sličan način. Ova veza i njena rješenja bili su skriveni skoro vek i po od otkrića Holovog efekta.
Osim napretka u ovom teorijskom razumijevanju, napredak u eksperimentalnim metodama je također kritičan za omogućavanje ove nove metode. Metoda zahtijeva čisto mjerenje Hallovog signala, što može biti teško za materijale gdje je Hallov signal slab (na primjer, zbog male pokretljivosti) ili kada su prisutni dodatni neželjeni signali, kao kod jakog svjetlosnog zračenja. Da biste to učinili, potrebno je izvršiti Hallovo mjerenje pomoću oscilirajućeg magnetnog polja. Kao i kod slušanja radija, potrebno je odabrati frekvenciju željene stanice, odbacujući sve ostale frekvencije koje djeluju kao šum. CRPH metoda ide korak dalje i odabire ne samo željenu frekvenciju već i fazu oscilirajućeg magnetskog polja koristeći metodu koja se zove sinhroni senzor. Ovaj koncept oscilirajućeg Holovog mjerenja je odavno poznat, ali tradicionalna metoda korištenja sistema elektromagnetnih kalemova za generiranje oscilirajućeg magnetnog polja bila je neefikasna.
Prethodno otkriće
Kao što se često dešava u nauci, napredak u jednoj oblasti potaknut je otkrićima u drugoj. U 2015. godini, IBM Research je izvijestio o prethodno nepoznatom fenomenu u fizici koji je povezan s novim efektom ograničavanja magnetnog polja nazvanom “devina grba”, koji se javlja između dvije linije poprečnih dipola kada prelaze kritičnu dužinu, kao što je prikazano na slici 2a. Efekat je ključna karakteristika koja omogućava novu vrstu prirodne magnetne zamke koja se naziva zamka paralelne dipolne linije (PDL trap), kao što je prikazano na slici 2b. Magnetna PDL zamka može se koristiti kao nova platforma za različite primjene senzora kao što su nagibnomjer, seizmometar (senzor zemljotresa). Takvi novi senzorski sistemi, zajedno s tehnologijama velikih podataka, mogli bi otvoriti mnoge nove aplikacije, a istražuje ih IBM Research tim koji razvija platformu za analizu velikih podataka pod nazivom IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), koja sadrži mnoštvo geoprostornih podataka. i podatke o Internetu stvari (IoT).
Iznenađujuće, isti PDL element ima još jednu jedinstvenu primjenu. Kada se rotira, služi kao idealan foto-Halov eksperimentalni sistem za dobijanje jednosmerne i čiste harmonijske oscilacije magnetnog polja (slika 2c). Što je još važnije, sistem pruža dovoljno prostora da omogući osvjetljavanje širokog područja uzorka, što je kritično u foto-Hall eksperimentima.
Uticaj
Nova metoda foto-hola koju smo razvili omogućava nam da iz poluprovodnika izvučemo nevjerovatnu količinu informacija. Za razliku od samo tri parametra dobijena klasičnim Hallovim mjerenjem, ova nova metoda daje do sedam parametara pri svakom od testiranih intenziteta svjetlosti. Ovo uključuje mobilnost i elektrona i rupa; koncentracija njihovog nosioca pod uticajem svetlosti; životni vijek rekombinacije; i dužina difuzije za elektrone, rupe i ambipolarne tipove. Sve ovo se može ponoviti N puta (tj. broj parametara intenziteta svjetlosti korištenih u eksperimentu).
Ovo novo otkriće i tehnologija pomoći će da se unaprijedi napredak poluvodiča kako u postojećim tako iu novim tehnologijama. Sada imamo znanje i alate potrebne za detaljnije izdvajanje fizičkih karakteristika poluvodičkih materijala. Na primjer, pomoći će da se ubrza razvoj tehnologije poluvodiča sljedeće generacije, kao što su bolji solarni paneli, bolji optoelektronski uređaji i novi materijali i uređaji za tehnologije umjetne inteligencije.
članak objavljen 7 .
Prevod: Nikolay Marin (), glavni tehnološki direktor IBM-a u Rusiji i zemljama ZND.
izvor: www.habr.com