Ein 140-jähriges Geheimnis in der Physik enthüllen

Übersetzung eines Artikels von IBM Research.

Ein wichtiger Durchbruch in der Physik wird es ermöglichen, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern viel detaillierter zu untersuchen. Dies könnte die Entwicklung der nächsten Generation von Halbleitertechnologien beschleunigen.

Autoren:
Oki Gunawan — Mitarbeiter, IBM Research
Doug Bishop — Charakterisierungsingenieur, IBM Research

Halbleiter sind die grundlegenden Bausteine unserer digitalen, elektronischen Ära und bieten uns eine Vielzahl von Geräten, die unser modernes Leben bereichern, wie Computer, Smartphones und andere mobile Geräte. Verbesserungen in der Funktionalität und Leistung von Halbleitern ermöglichen auch die Anwendungen der nächsten Generation für Berechnungen, Erkennung und Energiewandlung. Forscher arbeiten schon lange daran, die Grenzen unseres Verständnisses der elektrischen Ladungen in Halbleitergeräten und fortschrittlichen Halbleitermaterialien zu überwinden, die unsere Fähigkeit behindern, weiter voranzukommen.

In einer neuen Studie im Journal Nature Die von IBM Research geleitete wissenschaftliche Zusammenarbeit beschreibt einen aufregenden Durchbruch bei der Entschlüsselung eines 140-jährigen Geheimnisses in der Physik, das es uns ermöglichen wird, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern viel detaillierter zu untersuchen und die Entwicklung neuer verbesserter Halbleitermaterialien voranzutreiben.

Um die Physik der Halbleiter wirklich zu verstehen, müssen wir zunächst die grundlegenden Eigenschaften der Ladungsträger in den Materialien erkennen, ob es sich um negative oder positive Teilchen handelt, ihre Geschwindigkeit im angelegten elektrischen Feld und wie dicht sie im Material gepackt sind. Der Physiker Edwin Hall fand 1879 einen Weg, diese Eigenschaften zu bestimmen, als er entdeckte, dass ein Magnetfeld die Bewegung von Elektronenladungen in einem Leiter ablenkt und dass die Ablenkung als Spannungsdifferenz gemessen werden kann, die senkrecht zur Richtung des Stroms von geladenen Teilchen verläuft, wie in Abbildung Figure 1a gezeigt. Diese Spannung, bekannt als Hall-Spannung, offenbart bedeutende Informationen über die Ladungsträger in einem Halbleiter, einschließlich ob sie negative Elektronen oder positive Quasiteilchen, die „Löcher“ genannt werden, sind, wie schnell sie sich im elektrischen Feld bewegen oder ihre „Mobilität“ (µ) und ihre Konzentration (n) im Halbleiter.

140-jährige Geheimnis

Jahrzehnte nach der Entdeckung des Hall-Effekts fanden Forscher auch heraus, dass sie Messungen des Hall-Effekts mit Licht durchführen können – Experimente, die als Photo-Hall bezeichnet werden, siehe Abbildung Figure 1b. In solchen Experimenten erzeugt die Lichtbeleuchtung zahlreiche Träger oder Elektron-Loch-Paare in Halbleitern. Leider ermöglichte unser Verständnis des grundlegenden Hall-Effekts nur das Erfassen der primären Ladungsträger (oder der Mehrheitsträger). Die Forscher waren nicht in der Lage, die Parameter beider Träger (primär und sekundär) gleichzeitig zu extrahieren. Solche Informationen sind entscheidend für viele lichtbezogene Anwendungen, wie z.B. Solarzellen und andere optoelektronische Geräte.

Studie von IBM Research im Journal Nature enthüllt eines der langgehegten 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 den primären und sekundären Träger, wie deren Konzentration und Beweglichkeit, sowie zusätzliche Hinweise zur Lebensdauer des Trägers, der Diffusionslänge und dem Rekombinationsprozess zu gewinnen.

Genauer gesagt, im Experiment des Photo-Hall-Effekts beeinflussen beide Trägersorten die Leitfähigkeit (σ) und den Hall-Koeffizienten (H, der im Verhältnis zwischen der Hall-Spannung und dem Magnetfeld steht). Das Schlüsselverständnis ergibt sich aus der Messung der Leitfähigkeit und des Hall-Koeffizienten in Abhängigkeit von der Lichtintensität. Das in der Form der Leitfähigkeits-Hall-Koeffizienten-Kurve (σ-H) verborgene Wissen zeigt prinzipiell neue Informationen: den Unterschied in der Beweglichkeit beider Trägersorten. Wie im Artikel diskutiert, kann dieser Zusammenhang elegant ausgedrückt werden:

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

Ausgehend von der bekannten Trägerdichte der Mehrheit aus der traditionellen Hall-Messung im Dunkeln, können wir die Beweglichkeit und Dichte sowohl für die Mehrheit als auch für die Minderheit als Funktion der Lichtintensität ermitteln. Das Team nannte die neue Messmethode: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Bei bekannter Lichtintensität kann die Lebensdauer des Trägers ebenfalls auf ähnliche Weise bestimmt werden. Dieser Zusammenhang und die damit verbundenen Lösungen blieben fast anderthalb Jahrhunderte verborgen, seit der Entdeckung des Hall-Effekts.

Neben den Fortschritten im theoretischen Verständnis sind auch Errungenschaften in den experimentellen Methoden entscheidend für die Umsetzung dieses neuen Verfahrens. Die Methode erfordert eine präzise Messung des Hall-Signals, die erschwert sein kann bei Materialien, in denen das Hall-Signal schwach ist (zum Beispiel aufgrund geringer Mobilität) oder wenn unerwünschte Zusatzsignale vorhanden sind, wie bei starker Lichtbestrahlung. Dazu muss die Hall-Messung mit einem oszillierenden Magnetfeld durchgeführt werden. Ähnlich wie beim Radiohören ist es notwendig, die Frequenz der gewünschten Station auszuwählen und alle anderen Frequenzen, die als Rauschen wirken, auszublenden. Das CRPH-Verfahren geht einen Schritt weiter und wählt nicht nur die gewünschte Frequenz, sondern auch die Phase des oszillierenden Magnetfelds nach einer Methode namens synchrone Bestimmung. Konzeptionell ist die Messung des oszillierenden Hall-Effekts schon lange bekannt, jedoch war die traditionelle Methode, die ein System von elektromagnetischen Spulen zur Generierung eines oszillierenden Magnetfeldes verwendet, ineffizient.

Frühere Entdeckung

Wie oft in der Wissenschaft werden Fortschritte in einem Bereich durch Entdeckungen in einem anderen verursacht. Im Jahr 2015 berichtete IBM Research über ein zuvor unbekanntes physikalisches Phänomen, das mit einem neuen Effekt des Einschlusses eines Magnetfeldes verbunden ist, bekannt als der „Kamelbuckel-Effekt“. Dieser tritt zwischen zwei Linien querverlaufender Dipole auf, wenn sie eine kritische Länge überschreiten, wie in Abbildung Figure 2a dargestellt. Der Effekt ist ein Schlüsselelement, das einen neuen Typus von natürlicher magnetischer Falle ermöglicht, genannt parallele Dipolefallen (parallel dipole line trap, PDL trap), wie in Abbildung Figure 2b gezeigt. Die magnetische PDL-Falle kann als neueste Plattform für verschiedene Sensoranwendungen genutzt werden, wie etwa ein Neigungsmesser oder Seismometer (Erdstoßsensor). Solche neuen Sensorsysteme zusammen mit Big Data-Technologien könnten eine Vielzahl neuer Anwendungen eröffnen und werden von IBM Research untersucht, das eine Plattform für die Analyse großer Datenmengen mit dem Namen IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) entwickelt, die zahlreiche geospatiale Daten und Daten aus dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) enthält.

Erstaunlicherweise hat dasselbe PDL-Element eine weitere einzigartige Anwendung. Wenn es rotiert, dient es als ideale Einrichtung für das Hall-Effekt-Experiment, um eine gerichtete und reine harmonische Schwingung des Magnetfelds zu erzeugen (siehe Abbildung 2c). Noch wichtiger ist, dass das System genügend Platz bietet, um eine weite Fläche des Probenbereichs auszuleuchten, was in Hall-Experimenten entscheidend ist.

Einfluss

Die neu entwickelte Methode für den Hall-Effekt ermöglicht es uns, eine erstaunliche Menge an Informationen aus Halbleitern zu extrahieren. Im Gegensatz zu den nur drei Parametern, die bei klassischen Hall-Messungen gewonnen werden, liefert diese neue Methode bis zu sieben Parameter bei jeder getesteten Lichtintensität. Dazu gehören die Mobilität sowohl von Elektronen als auch von Löchern; deren Trägerkonzentration unter Lichteinfluss; die Rekombinationslebensdauer; und die Diffusionslänge für Elektronen, Löcher und bipolare Typen. All dies kann N-mal wiederholt werden (d.h. die Anzahl der Lichtintensitätsparameter, die im Experiment verwendet werden).

Diese neue Entdeckung und Technologie werden dazu beitragen, die Fortschritte in der Halbleitertechnologie sowohl in bestehenden als auch in aufkommenden Technologien voranzutreiben. Wir verfügen nun über das Wissen und die Werkzeuge, um physikalische Eigenschaften von Halbleitermaterialien mit hoher Detailgenauigkeit zu extrahieren. Dies wird beispielsweise die Entwicklung der nächsten Generation von Halbleitertechnologien beschleunigen, wie zum Beispiel bessere Solarzellen, hochwertigere optoelektronische Bauelemente sowie neue Materialien und Geräte für Künstliche Intelligenz-Technologien.

Original Artikel veröffentlicht am 7. Oktober 2019 in dem IBM Research Blog.
Übersetzung: Nikolai Marin (NikolayMarin), Chief Technology Officer von IBM in Russland und den GUS-Staaten.

Quelle: habr.com