Oversættelse af en artikel af forfattere fra IBM Research.
Et vigtigt gennembrud i fysikken vil give os mulighed for at studere de fysiske egenskaber af halvledere i meget større detaljer. Dette kan være med til at accelerere udviklingen af næste generations halvlederteknologi.
Forfattere:
— Medarbejder, IBM Research
Doug Bishop - Karakteriseringsingeniør, IBM Research
Halvledere er de grundlæggende byggesten i nutidens digitale elektroniske tidsalder, der giver os en række forskellige enheder, der gavner vores moderne liv, såsom computere, smartphones og andre mobile enheder. Forbedringer i halvlederfunktionalitet og ydeevne muliggør også næste generation af halvlederapplikationer inden for databehandling, sensing og energikonvertering. Forskere har længe kæmpet for at overvinde begrænsningerne i vores evne til fuldt ud at forstå de elektroniske ladninger inde i halvlederenheder og avancerede halvledermaterialer, der holder vores evne til at bevæge sig fremad tilbage.
I en ny undersøgelse i tidsskriftet Et forskningssamarbejde ledet af IBM Research beskriver et spændende gennembrud i løsningen af et 140 år gammelt mysterium inden for fysik, et mysterium, der vil give os mulighed for at studere de fysiske egenskaber af halvledere meget mere detaljeret og muliggøre udviklingen af nye og forbedrede halvledermaterialer.
For virkelig at forstå halvledernes fysik skal vi først forstå de grundlæggende egenskaber af ladningsbærere i materialer, uanset om de er negative eller positive partikler, deres hastighed i et påført elektrisk felt, og hvor tæt de er pakket i materialet. Fysiker Edwin Hall fandt en måde at bestemme disse egenskaber på i 1879, da han opdagede, at et magnetfelt vil afbøje bevægelsen af elektronladninger i en leder, og at mængden af afbøjning kan måles som potentialforskellen vinkelret på retningsstrømmen af ladet. partikler, som vist i figur 1a. Denne spænding, kendt som Hall-spændingen, afslører betydelig information om ladningsbærerne i halvlederen, herunder om de er negative elektroner eller positive kvasipartikler kaldet "huller", hvor hurtigt de bevæger sig i et elektrisk felt, eller deres "mobilitet" (µ ), og deres koncentration (n) inde i halvlederen.
140 år gammelt mysterium
Årtier efter Halls opdagelse opdagede forskere også, at de kunne foretage målinger af Hall-effekten med lys - eksperimenter kaldet foto-Hall, se figur 1b. I sådanne eksperimenter genererer lysbelysning flere bærere eller elektron-hul-par i halvledere. Desværre har vores forståelse af den grundlæggende Hall-effekt kun givet indsigt i flertallet (eller flertallets) afgiftsselskaber. Forskerne var ikke i stand til at udtrække parametre fra begge medier (større og ikke-major) samtidigt. Sådan information er nøglen til mange lysrelaterede applikationer, såsom solpaneler og andre optoelektroniske enheder.
IBM Research magazine undersøgelse afslører en af Hall-effektens længe bevarede hemmeligheder. Forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University og IBM har opdaget en ny formel og teknik, der giver os mulighed for samtidig at udtrække information om det grundlæggende og ikke-grundlæggende bærere, såsom deres koncentration og mobilitet, samt indhente yderligere information om bærerens levetid, diffusionslængde og rekombinationsprocessen.
Mere specifikt, i et foto-Hall-eksperiment, bidrager begge bærere til ændringer i ledningsevne (σ) og Hall-koefficient (H, proportional med forholdet mellem Hall-spændingen og magnetfeltet). Nøgleindsigter kommer fra måling af ledningsevne og Hall-koefficient som funktion af lysintensitet. Skjult i form af konduktivitet-Hall-koefficientkurven (σ-H) viser fundamentalt ny information: forskellen i mobiliteten af begge bærere. Som diskuteret i artiklen kan dette forhold udtrykkes elegant:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Startende med en kendt majoritetsbærertæthed fra en traditionel Hall-måling i mørke, kan vi afsløre for både majoriteten og minoritetens bærermobilitet og tæthed som en funktion af lysintensiteten. Holdet navngav den nye målemetode: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Med en kendt intensitet af lysbelysning kan bærerens levetid fastlægges på lignende måde. Denne forbindelse og dens løsninger har været skjult i næsten halvandet århundrede siden opdagelsen af Hall-effekten.
Ud over fremskridt i denne teoretiske forståelse er fremskridt inden for eksperimentelle metoder også afgørende for at muliggøre denne nye metode. Metoden kræver en ren måling af Hall-signalet, hvilket kan være svært for materialer, hvor Hall-signalet er svagt (f.eks. på grund af lav mobilitet), eller når der er yderligere uønskede signaler til stede, som ved kraftig lysbestråling. For at gøre dette er det nødvendigt at udføre en Hall-måling ved hjælp af et oscillerende magnetfelt. Ligesom når du lytter til radio, skal du vælge frekvensen på den ønskede station og kassere alle andre frekvenser, der fungerer som støj. CRPH-metoden går et skridt videre og vælger ikke kun den ønskede frekvens, men også fasen af det oscillerende magnetfelt ved hjælp af en metode kaldet synkron sensing. Dette koncept med oscillerende Hall-måling har længe været kendt, men den traditionelle metode til at bruge et system af elektromagnetiske spoler til at generere et oscillerende magnetfelt var ineffektiv.
Tidligere opdagelse
Som det ofte sker i videnskaben, er fremskridt på ét område drevet af opdagelser på et andet. I 2015 rapporterede IBM Research om et hidtil ukendt fænomen i fysik forbundet med en ny magnetfeltindeslutningseffekt kaldet "kamelpukkel"-effekten, som opstår mellem to linjer af tværgående dipoler, når de overskrider en kritisk længde, som vist i figur 2a. Effekten er en nøglefunktion, der muliggør en ny type naturlig magnetisk fælde kaldet en parallel dipollinjefælde (PDL-fælde), som vist i figur 2b. Magnetisk PDL-fælde kan bruges som en ny platform til en række forskellige registreringsapplikationer, såsom tiltmeter, seismometer (jordskælvssensor). Sådanne nye sensorsystemer kombineret med big data-teknologier kan åbne op for mange nye applikationer og undersøges af IBM Research-teamet, der udvikler en big data analytics platform kaldet IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), som indeholder et væld af geospatiale og Internet of Things-data (IoT).
Overraskende nok har det samme PDL-element en anden unik applikation. Når det drejes, tjener det som et ideelt foto-Hall-eksperimentsystem til at opnå en ensrettet og ren harmonisk svingning af magnetfeltet (figur 2c). Endnu vigtigere er det, at systemet giver plads nok til at tillade belysning af et bredt område af prøven, hvilket er kritisk i photo-Hall-eksperimenter.
Impact
Den nye photo-hall-metode, vi har udviklet, giver os mulighed for at udtrække en fantastisk mængde information fra halvledere. I modsætning til kun tre parametre opnået i den klassiske Hall-måling, giver denne nye metode op til syv parametre ved hver af de testede lysintensiteter. Dette inkluderer mobiliteten af både elektroner og huller; koncentrationen af deres bærer under påvirkning af lys; rekombinationslevetid; og diffusionslængde for elektroner, huller og ambipolære typer. Alt dette kan gentages N gange (dvs. antallet af lysintensitetsparametre anvendt i eksperimentet).
Denne nye opdagelse og teknologi vil hjælpe med at fremme halvlederfremskridt inden for både eksisterende og nye teknologier. Vi har nu den viden og de nødvendige værktøjer til at udtrække de fysiske egenskaber af halvledermaterialer i detaljer. For eksempel vil det hjælpe med at accelerere udviklingen af næste generations halvlederteknologi, såsom bedre solpaneler, bedre optoelektroniske enheder og nye materialer og enheder til kunstig intelligens-teknologier.
artikel offentliggjort den 7. oktober 2019 i .
Oversættelse: Nikolaj Marin (), Chief Technology Officer IBM i Rusland og SNG-landene.
Kilde: www.habr.com