Übersetzung eines Artikels von Autoren von IBM Research.
Ein wichtiger Durchbruch in der Physik wird es uns ermöglichen, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern viel detaillierter zu untersuchen. Dies könnte dazu beitragen, die Entwicklung der Halbleitertechnologie der nächsten Generation zu beschleunigen.
Autoren:
— Mitarbeiter, IBM Research
Doug Bishop – Charakterisierungsingenieur, IBM Research
Halbleiter sind die Grundbausteine des heutigen digitalen elektronischen Zeitalters und versorgen uns mit einer Vielzahl von Geräten, die unserem modernen Leben zugute kommen, wie Computer, Smartphones und andere mobile Geräte. Verbesserungen der Halbleiterfunktionalität und -leistung ermöglichen auch Halbleiteranwendungen der nächsten Generation in den Bereichen Computer, Sensorik und Energieumwandlung. Forscher haben lange darum gekämpft, die Einschränkungen unserer Fähigkeit zu überwinden, die elektronischen Ladungen in Halbleiterbauelementen und fortschrittlichen Halbleitermaterialien vollständig zu verstehen, die uns daran hindern, voranzukommen.
In einer neuen Studie in der Zeitschrift Eine von IBM Research geleitete Forschungskooperation beschreibt einen aufregenden Durchbruch bei der Lösung eines 140 Jahre alten Rätsels der Physik, der es uns ermöglichen wird, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern viel detaillierter zu untersuchen und die Entwicklung neuer und verbesserter Halbleitermaterialien zu ermöglichen.
Um die Physik von Halbleitern wirklich zu verstehen, müssen wir zunächst die grundlegenden Eigenschaften von Ladungsträgern in Materialien verstehen, ob es sich um negative oder positive Teilchen handelt, ihre Geschwindigkeit in einem angelegten elektrischen Feld und wie dicht sie im Material gepackt sind. Der Physiker Edwin Hall fand 1879 eine Möglichkeit, diese Eigenschaften zu bestimmen, als er entdeckte, dass ein Magnetfeld die Bewegung von Elektronenladungen in einem Leiter ablenkt und dass das Ausmaß der Ablenkung als Potentialdifferenz senkrecht zum gerichteten Ladungsfluss gemessen werden kann Partikel, wie in Abbildung 1a dargestellt. Diese als Hall-Spannung bekannte Spannung gibt wichtige Informationen über die Ladungsträger im Halbleiter preis, unter anderem darüber, ob es sich um negative Elektronen oder positive Quasiteilchen, sogenannte „Löcher“, handelt, wie schnell sie sich in einem elektrischen Feld bewegen oder welche „Beweglichkeit“ (µ ) und ihre Konzentration (n) innerhalb des Halbleiters.
140 Jahre altes Geheimnis
Jahrzehnte nach Halls Entdeckung entdeckten Forscher auch, dass sie Messungen des Hall-Effekts mit Licht durchführen konnten – Experimente namens Photo-Hall, siehe Abbildung 1b. Bei solchen Experimenten erzeugt die Lichtbeleuchtung mehrere Ladungsträger oder Elektron-Loch-Paare in Halbleitern. Leider hat unser Verständnis des grundlegenden Hall-Effekts nur Erkenntnisse über die Mehrheit (oder Mehrheit) der Ladungsträger geliefert. Den Forschern war es nicht möglich, Parameter aus beiden Medien (Haupt- und Nicht-Hauptmedien) gleichzeitig zu extrahieren. Solche Informationen sind für viele lichtbezogene Anwendungen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise für Solarmodule und andere optoelektronische Geräte.
Studie des Magazins IBM Research enthüllt eines der lange gehüteten Geheimnisse des Hall-Effekts. Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), des Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), der Duke University und von IBM haben eine neue Formel und Technik entdeckt, die es uns ermöglicht, gleichzeitig Informationen über das Grundlegende und Nicht-Grundlegende zu extrahieren B. deren Konzentration und Mobilität, und erhalten zusätzliche Informationen über die Lebensdauer des Trägers, die Diffusionslänge und den Rekombinationsprozess.
Genauer gesagt tragen in einem Photo-Hall-Experiment beide Ladungsträger zu Änderungen der Leitfähigkeit (σ) und des Hall-Koeffizienten (H, proportional zum Verhältnis der Hall-Spannung zum Magnetfeld) bei. Wichtige Erkenntnisse stammen aus der Messung der Leitfähigkeit und des Hall-Koeffizienten als Funktion der Lichtintensität. In der Form der Leitfähigkeits-Hall-Koeffizientenkurve (σ-H) verbergen sich grundlegend neue Informationen: der Unterschied in der Beweglichkeit beider Träger. Wie im Artikel besprochen, lässt sich dieser Zusammenhang elegant ausdrücken:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Ausgehend von einer bekannten Mehrheitsträgerdichte aus einer herkömmlichen Hall-Messung im Dunkeln können wir die Mobilität und Dichte sowohl der Mehrheits- als auch der Minderheitsträger als Funktion der Lichtintensität ermitteln. Das Team nannte die neue Messmethode: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Bei bekannter Intensität der Lichtbeleuchtung kann auf ähnliche Weise die Lebensdauer des Trägers ermittelt werden. Dieser Zusammenhang und seine Lösungen waren seit der Entdeckung des Hall-Effekts fast anderthalb Jahrhunderte lang verborgen.
Neben Fortschritten in diesem theoretischen Verständnis sind auch Fortschritte in den experimentellen Methoden entscheidend, um diese neue Methode zu ermöglichen. Die Methode erfordert eine reine Messung des Hall-Signals, was bei Materialien schwierig sein kann, bei denen das Hall-Signal schwach ist (z. B. aufgrund geringer Mobilität) oder wenn zusätzliche unerwünschte Signale vorhanden sind, wie bei starker Lichteinstrahlung. Dazu ist es notwendig, eine Hall-Messung mit einem oszillierenden Magnetfeld durchzuführen. Genau wie beim Radiohören müssen Sie die Frequenz des gewünschten Senders auswählen und alle anderen Frequenzen, die als Rauschen wirken, verwerfen. Die CRPH-Methode geht noch einen Schritt weiter und wählt nicht nur die gewünschte Frequenz, sondern auch die Phase des oszillierenden Magnetfelds mithilfe einer Methode namens Synchronous Sensing. Dieses Konzept der oszillierenden Hall-Messung ist seit langem bekannt, aber die traditionelle Methode, ein System elektromagnetischer Spulen zur Erzeugung eines oszillierenden Magnetfelds zu verwenden, war wirkungslos.
Vorherige Entdeckung
Wie so oft in der Wissenschaft werden Fortschritte in einem Bereich durch Entdeckungen in einem anderen vorangetrieben. Im Jahr 2015 berichtete IBM Research über ein bisher unbekanntes Phänomen in der Physik, das mit einem neuen Magnetfeldeinschlusseffekt namens „Kamelbuckel“-Effekt verbunden ist, der zwischen zwei Linien transversaler Dipole auftritt, wenn sie eine kritische Länge überschreiten, wie in Abbildung 2a dargestellt. Der Effekt ist ein Schlüsselmerkmal, das eine neue Art natürlicher Magnetfalle ermöglicht, die als parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle) bezeichnet wird, wie in Abbildung 2b dargestellt. Die magnetische PDL-Falle kann als neuartige Plattform für eine Vielzahl von Sensoranwendungen wie Neigungsmesser und Seismometer (Erdbebensensor) verwendet werden. Solche neuen Sensorsysteme könnten in Verbindung mit Big-Data-Technologien viele neue Anwendungen eröffnen und werden vom IBM-Forschungsteam erforscht, das eine Big-Data-Analyseplattform namens IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) entwickelt, die eine Fülle von Geodaten enthält und Internet-of-Things-Daten (IoT).
Überraschenderweise hat dasselbe PDL-Element eine andere einzigartige Anwendung. Wenn es gedreht wird, dient es als ideales Photo-Hall-Experimentsystem, um eine unidirektionale und reine harmonische Schwingung des Magnetfelds zu erhalten (Abbildung 2c). Noch wichtiger ist, dass das System genügend Platz bietet, um die Beleuchtung eines großen Bereichs der Probe zu ermöglichen, was bei Photo-Hall-Experimenten von entscheidender Bedeutung ist.
Wirkung
Die von uns entwickelte neue Photo-Hall-Methode ermöglicht es uns, eine erstaunliche Menge an Informationen aus Halbleitern zu extrahieren. Im Gegensatz zu nur drei Parametern, die bei der klassischen Hall-Messung ermittelt werden, liefert diese neue Methode bei jeder der getesteten Lichtintensitäten bis zu sieben Parameter. Dazu gehört die Beweglichkeit sowohl von Elektronen als auch von Löchern; die Konzentration ihres Trägers unter Lichteinfluss; Rekombinationslebensdauer; und Diffusionslänge für Elektronen, Löcher und ambipolare Typen. All dies kann N-mal wiederholt werden (d. h. so viele Lichtintensitätsparameter wie im Experiment verwendet).
Diese neue Entdeckung und Technologie wird dazu beitragen, Halbleiterfortschritte sowohl in bestehenden als auch in neuen Technologien voranzutreiben. Wir verfügen nun über das erforderliche Wissen und die Werkzeuge, um die physikalischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien detailliert zu ermitteln. Beispielsweise wird es dazu beitragen, die Entwicklung der Halbleitertechnologie der nächsten Generation zu beschleunigen, etwa bessere Solarmodule, bessere optoelektronische Geräte sowie neue Materialien und Geräte für Technologien der künstlichen Intelligenz.
Artikel veröffentlicht am 7. Oktober 2019 in .
Übersetzung: Nikolay Marin (), Chief Technology Officer IBM in Russland und den GUS-Staaten.
Source: habr.com