Traducció d'un article d'autors d'IBM Research.
Un avenç important en la física ens permetrà estudiar les característiques físiques dels semiconductors amb molt més detall. Això pot ajudar a accelerar el desenvolupament de la tecnologia de semiconductors de nova generació.
Autors:
— Membre del personal, IBM Research
Doug Bishop - Enginyer de caracterització, IBM Research
Els semiconductors són els components bàsics de l'era electrònica digital actual, i ens proporcionen una varietat de dispositius que beneficien la nostra vida moderna, com ara ordinadors, telèfons intel·ligents i altres dispositius mòbils. Les millores en la funcionalitat i el rendiment dels semiconductors també permeten aplicacions de semiconductors de nova generació en informàtica, detecció i conversió d'energia. Els investigadors han lluitat durant molt de temps per superar les limitacions de la nostra capacitat per entendre completament les càrregues electròniques dins dels dispositius semiconductors i els materials avançats de semiconductors que frenen la nostra capacitat d'avançar.
En un nou estudi a la revista Una col·laboració de recerca liderada per IBM Research descriu un avenç emocionant en la resolució d'un misteri de la física de 140 anys d'antiguitat, que ens permetrà estudiar les característiques físiques dels semiconductors amb molt més detall i permetrà el desenvolupament de materials semiconductors nous i millorats.
Per entendre realment la física dels semiconductors, primer hem d'entendre les propietats fonamentals dels portadors de càrrega dins dels materials, tant si són partícules negatives com positives, la seva velocitat en un camp elèctric aplicat i la densitat amb què estan empaquetats dins del material. El físic Edwin Hall va trobar una manera de determinar aquestes propietats el 1879 quan va descobrir que un camp magnètic desviarà el moviment de les càrregues d'electrons dins d'un conductor, i que la quantitat de deflexió es pot mesurar com la diferència de potencial perpendicular al flux direccional de les càrregues carregades. partícules, tal com es mostra a la figura 1a. Aquesta tensió, coneguda com a tensió de Hall, revela informació significativa sobre els portadors de càrrega del semiconductor, incloent si són electrons negatius o quasipartícules positives anomenades "forats", la rapidesa amb què es mouen en un camp elèctric o la seva "mobilitat" (µ). ) , i la seva concentració (n) dins del semiconductor.
Misteri de 140 anys
Dècades després del descobriment de Hall, els investigadors també van descobrir que podien fer mesures de l'efecte Hall amb la llum, experiments anomenats photo-Hall, vegeu la figura 1b. En aquests experiments, la il·luminació de llum genera múltiples portadors, o parells d'electrons-forat, en semiconductors. Malauradament, la nostra comprensió de l'efecte Hall bàsic només ha proporcionat informació sobre els portadors de càrrega majoritaris (o majoritaris). Els investigadors no van poder extreure paràmetres dels dos mitjans (principals i no principals) simultàniament. Aquesta informació és clau per a moltes aplicacions relacionades amb la llum, com ara plaques solars i altres dispositius optoelectrònics.
Estudi de la revista IBM Research revela un dels secrets guardats durant molt de temps de l'efecte Hall. Investigadors de l'Institut Avançat de Ciència i Tecnologia de Corea (KAIST), l'Institut de Recerca de Tecnologia Química de Corea (KRICT), la Universitat de Duke i IBM han descobert una nova fórmula i tècnica que ens permet extreure simultàniament informació sobre els aspectes bàsics i no bàsics. portadors, com ara la seva concentració i mobilitat, així com obtenir informació addicional sobre la vida útil del portador, la longitud de difusió i el procés de recombinació.
Més concretament, en un experiment foto-Hall, ambdós portadors contribueixen als canvis en la conductivitat (σ) i en el coeficient Hall (H, proporcional a la relació entre la tensió de Hall i el camp magnètic). Les idees clau provenen de mesurar la conductivitat i el coeficient de Hall en funció de la intensitat de la llum. Amagada en la forma de la corba del coeficient de conductivitat-Hall (σ-H) mostra informació fonamentalment nova: la diferència en la mobilitat d'ambdós portadors. Com es comenta a l'article, aquesta relació es pot expressar amb elegància:
$$visualització$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$visualització$$
Començant amb una densitat de portadors majoritari coneguda a partir d'una mesura tradicional de Hall a la foscor, podem revelar la mobilitat i la densitat de portadors majoritaris i minoritaris en funció de la intensitat de la llum. L'equip va anomenar el nou mètode de mesurament: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Amb una intensitat coneguda d'il·luminació de la llum, la vida útil del portador es pot establir de manera similar. Aquesta connexió i les seves solucions han estat amagades durant gairebé un segle i mig des del descobriment de l'efecte Hall.
A part dels avenços en aquesta comprensió teòrica, els avenços en mètodes experimentals també són crítics per habilitar aquest nou mètode. El mètode requereix una mesura pura del senyal Hall, que pot ser difícil per als materials on el senyal Hall és feble (per exemple, a causa de la poca mobilitat) o quan hi ha senyals addicionals no desitjats, com amb una forta irradiació de llum. Per fer-ho, cal realitzar una mesura de Hall mitjançant un camp magnètic oscil·lant. Igual que quan escolteu la ràdio, heu de seleccionar la freqüència de l'emissora desitjada, descartant totes les altres freqüències que actuen com a soroll. El mètode CRPH va un pas més enllà i selecciona no només la freqüència desitjada, sinó també la fase del camp magnètic oscil·lant mitjançant un mètode anomenat detecció síncrona. Aquest concepte de mesura de Hall oscil·lant fa temps que es coneix, però el mètode tradicional d'utilitzar un sistema de bobines electromagnètiques per generar un camp magnètic oscil·lant era ineficaç.
Descobriment previ
Com passa sovint a la ciència, els avenços en una àrea estan impulsats pels descobriments en una altra. L'any 2015, IBM Research va informar d'un fenomen desconegut anteriorment en física associat a un nou efecte de confinament del camp magnètic anomenat efecte "gepa de camell", que es produeix entre dues línies de dipols transversals quan superen una longitud crítica, tal com es mostra a la figura 2a. L'efecte és una característica clau que permet un nou tipus de trampa magnètica natural anomenada trampa de línia dipol paral·lela (trampa PDL), tal com es mostra a la figura 2b. La trampa magnètica PDL es pot utilitzar com a plataforma nova per a una varietat d'aplicacions de detecció com ara tiltmetre, sismòmetre (sensor de terratrèmol). Aquests nous sistemes de sensors, juntament amb les tecnologies de big data, podrien obrir moltes aplicacions noves, i l'equip de recerca d'IBM està explorant una plataforma d'anàlisi de grans dades anomenada IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), que conté una gran quantitat de dades geoespacials. i dades d'Internet de les coses (IoT).
Sorprenentment, el mateix element PDL té una altra aplicació única. Quan es gira, serveix com a sistema d'experimentació foto-Hall ideal per obtenir una oscil·lació harmònica unidireccional i pura del camp magnètic (figura 2c). Més important encara, el sistema ofereix prou espai per permetre la il·luminació d'una àmplia àrea de la mostra, que és fonamental en els experiments de photo-Hall.
Impacte
El nou mètode de photo-hall que hem desenvolupat ens permet extreure una quantitat sorprenent d'informació dels semiconductors. En contrast amb només tres paràmetres obtinguts en la mesura clàssica de Hall, aquest nou mètode produeix fins a set paràmetres a cadascuna de les intensitats de llum provades. Això inclou la mobilitat tant dels electrons com dels forats; la concentració del seu portador sota la influència de la llum; vida útil de la recombinació; i longitud de difusió per a electrons, forats i tipus ambipolars. Tot això es pot repetir N vegades (és a dir, el nombre de paràmetres d'intensitat de llum utilitzats a l'experiment).
Aquest nou descobriment i tecnologia ajudarà a avançar en els avenços dels semiconductors tant en les tecnologies existents com en les emergents. Ara tenim els coneixements i les eines necessàries per extreure amb gran detall les característiques físiques dels materials semiconductors. Per exemple, ajudarà a accelerar el desenvolupament de la tecnologia de semiconductors de nova generació, com ara millors panells solars, millors dispositius optoelectrònics i nous materials i dispositius per a tecnologies d'intel·ligència artificial.
article publicat el 7 d'octubre de 2019 a .
Traducció: Nikolai Marín (), director de tecnologia d'IBM a Rússia i als països de la CEI.
Font: www.habr.com