Μετάφραση άρθρου από συγγραφείς της IBM Research.
Μια σημαντική ανακάλυψη στη φυσική θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε τα φυσικά χαρακτηριστικά των ημιαγωγών με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στην επιτάχυνση της ανάπτυξης τεχνολογίας ημιαγωγών επόμενης γενιάς.
Συγγραφείς:
— Μέλος προσωπικού, IBM Research
Doug Bishop - Characterization Engineer, IBM Research
Οι ημιαγωγοί είναι τα βασικά δομικά στοιχεία της σημερινής ψηφιακής ηλεκτρονικής εποχής, παρέχοντάς μας μια ποικιλία συσκευών που ωφελούν τη σύγχρονη ζωή μας, όπως υπολογιστές, smartphone και άλλες κινητές συσκευές. Οι βελτιώσεις στη λειτουργικότητα και την απόδοση των ημιαγωγών επιτρέπουν επίσης τις εφαρμογές ημιαγωγών επόμενης γενιάς στους υπολογιστές, την ανίχνευση και τη μετατροπή ενέργειας. Οι ερευνητές αγωνίζονται εδώ και καιρό να ξεπεράσουν τους περιορισμούς στην ικανότητά μας να κατανοούμε πλήρως τα ηλεκτρονικά φορτία μέσα σε συσκευές ημιαγωγών και προηγμένα υλικά ημιαγωγών που εμποδίζουν την ικανότητά μας να προχωρήσουμε.
Σε μια νέα μελέτη στο περιοδικό Μια ερευνητική συνεργασία με επικεφαλής την IBM Research περιγράφει μια συναρπαστική ανακάλυψη στην επίλυση ενός μυστηρίου 140 ετών στη φυσική, που θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε τα φυσικά χαρακτηριστικά των ημιαγωγών με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια και να επιτρέψουμε την ανάπτυξη νέων και βελτιωμένων υλικών ημιαγωγών.
Για να κατανοήσουμε πραγματικά τη φυσική των ημιαγωγών, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τις θεμελιώδεις ιδιότητες των φορέων φορτίου μέσα στα υλικά, είτε είναι αρνητικά είτε θετικά σωματίδια, την ταχύτητά τους σε ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο και πόσο πυκνά είναι συσκευασμένα μέσα στο υλικό. Ο φυσικός Edwin Hall βρήκε έναν τρόπο να προσδιορίσει αυτές τις ιδιότητες το 1879 όταν ανακάλυψε ότι ένα μαγνητικό πεδίο θα εκτρέψει την κίνηση των φορτίων ηλεκτρονίων μέσα σε έναν αγωγό και ότι το ποσό της εκτροπής μπορεί να μετρηθεί ως η διαφορά δυναμικού κάθετη στην κατευθυντική ροή του φορτισμένου σωματίδια, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1α. Αυτή η τάση, γνωστή ως τάση Hall, αποκαλύπτει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τους φορείς φορτίου στον ημιαγωγό, συμπεριλαμβανομένου του εάν είναι αρνητικά ηλεκτρόνια ή θετικά οιονεί σωματίδια που ονομάζονται «τρύπες», πόσο γρήγορα κινούνται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ή την «κινητικότητά» τους (μ ), και η συγκέντρωσή τους (n) μέσα στον ημιαγωγό.
Μυστήριο 140 ετών
Δεκαετίες μετά την ανακάλυψη του Hall, οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι μπορούσαν να κάνουν μετρήσεις του φαινομένου Hall με φως - πειράματα που ονομάζονται photo-Hall, βλέπε Εικόνα 1β. Σε τέτοια πειράματα, ο φωτισμός δημιουργεί πολλαπλούς φορείς, ή ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, σε ημιαγωγούς. Δυστυχώς, η κατανόησή μας για το βασικό φαινόμενο Hall έχει παράσχει πληροφορίες μόνο για τους περισσότερους (ή τους πλειοψηφικούς) φορείς τελών. Οι ερευνητές δεν μπόρεσαν να εξαγάγουν παραμέτρους και από τα δύο μέσα (κυρίως και μη) ταυτόχρονα. Τέτοιες πληροφορίες είναι βασικές για πολλές εφαρμογές που σχετίζονται με το φως, όπως ηλιακά πάνελ και άλλες οπτοηλεκτρονικές συσκευές.
Μελέτη του περιοδικού IBM Research αποκαλύπτει ένα από τα μακροχρόνια κρυμμένα μυστικά του εφέ Hall. Ερευνητές από το Κορεάτικο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας (KAIST), το Ερευνητικό Ινστιτούτο Χημικής Τεχνολογίας της Κορέας (KRICT), το Πανεπιστήμιο Duke και την IBM ανακάλυψαν μια νέα φόρμουλα και τεχνική που μας επιτρέπει να εξάγουμε ταυτόχρονα πληροφορίες σχετικά με τη βασική και τη μη βασική φορείς, όπως η συγκέντρωση και η κινητικότητά τους, καθώς και να λάβετε πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη διάρκεια ζωής του φορέα, το μήκος διάχυσης και τη διαδικασία ανασυνδυασμού.
Πιο συγκεκριμένα, σε ένα πείραμα photo-Hall, και οι δύο φορείς συμβάλλουν σε αλλαγές στην αγωγιμότητα (σ) και στον συντελεστή Hall (Η, ανάλογος του λόγου της τάσης Hall προς το μαγνητικό πεδίο). Οι βασικές πληροφορίες προέρχονται από τη μέτρηση της αγωγιμότητας και του συντελεστή Hall ως συνάρτηση της έντασης του φωτός. Κρυμμένο στο σχήμα της καμπύλης συντελεστή αγωγιμότητας-Hall (σ-H) δείχνει θεμελιωδώς νέες πληροφορίες: τη διαφορά στην κινητικότητα και των δύο φορέων. Όπως συζητήθηκε στο άρθρο, αυτή η σχέση μπορεί να εκφραστεί κομψά:
$$εμφάνιση$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$εμφάνιση$$
Ξεκινώντας με μια γνωστή πλειοψηφική πυκνότητα φορέα από μια παραδοσιακή μέτρηση Hall στο σκοτάδι, μπορούμε να αποκαλύψουμε τόσο για την πλειοψηφία όσο και για τη μειοψηφία την κινητικότητα και την πυκνότητα του φορέα ως συνάρτηση της έντασης φωτός. Η ομάδα ονόμασε τη νέα μέθοδο μέτρησης: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Με μια γνωστή ένταση φωτισμού, η διάρκεια ζωής του φορέα μπορεί να καθοριστεί με παρόμοιο τρόπο. Αυτή η σύνδεση και οι λύσεις της είναι κρυμμένες για σχεδόν ενάμιση αιώνα από την ανακάλυψη του φαινομένου Hall.
Εκτός από την πρόοδο σε αυτή τη θεωρητική κατανόηση, η πρόοδος στις πειραματικές μεθόδους είναι επίσης κρίσιμης σημασίας για να ενεργοποιηθεί αυτή η νέα μέθοδος. Η μέθοδος απαιτεί μια καθαρή μέτρηση του σήματος Hall, η οποία μπορεί να είναι δύσκολη για υλικά όπου το σήμα Hall είναι ασθενές (για παράδειγμα, λόγω χαμηλής κινητικότητας) ή όταν υπάρχουν πρόσθετα ανεπιθύμητα σήματα, όπως με ισχυρή ακτινοβολία φωτός. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να πραγματοποιήσετε μια μέτρηση Hall χρησιμοποιώντας ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο. Ακριβώς όπως όταν ακούτε ραδιόφωνο, πρέπει να επιλέξετε τη συχνότητα του επιθυμητού σταθμού, απορρίπτοντας όλες τις άλλες συχνότητες που λειτουργούν ως θόρυβος. Η μέθοδος CRPH προχωρά ένα βήμα παραπέρα και επιλέγει όχι μόνο την επιθυμητή συχνότητα αλλά και τη φάση του ταλαντούμενου μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται σύγχρονη ανίχνευση. Αυτή η έννοια της μέτρησης ταλαντευόμενου Hall είναι γνωστή εδώ και πολύ καιρό, αλλά η παραδοσιακή μέθοδος χρήσης ενός συστήματος ηλεκτρομαγνητικών πηνίων για τη δημιουργία ενός ταλαντούμενου μαγνητικού πεδίου ήταν αναποτελεσματική.
Προηγούμενη ανακάλυψη
Όπως συμβαίνει συχνά στην επιστήμη, η πρόοδος σε έναν τομέα καθοδηγείται από ανακαλύψεις σε έναν άλλο. Το 2015, η IBM Research ανέφερε ένα προηγουμένως άγνωστο φαινόμενο στη φυσική που σχετίζεται με ένα νέο φαινόμενο περιορισμού του μαγνητικού πεδίου που ονομάζεται φαινόμενο «καμήλας καμπούρας», το οποίο εμφανίζεται μεταξύ δύο γραμμών εγκάρσιων διπόλων όταν υπερβαίνουν ένα κρίσιμο μήκος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2α. Το εφέ είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό που επιτρέπει έναν νέο τύπο φυσικής μαγνητικής παγίδας που ονομάζεται παγίδα παράλληλης διπολικής γραμμής (παγίδα PDL), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2β. Η μαγνητική παγίδα PDL μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια νέα πλατφόρμα για μια ποικιλία εφαρμογών ανίχνευσης, όπως κλίση, σεισμόμετρο (αισθητήρας σεισμού). Τέτοια νέα συστήματα αισθητήρων, σε συνδυασμό με τεχνολογίες μεγάλων δεδομένων, θα μπορούσαν να ανοίξουν πολλές νέες εφαρμογές και διερευνώνται από την ερευνητική ομάδα της IBM αναπτύσσοντας μια πλατφόρμα ανάλυσης μεγάλων δεδομένων που ονομάζεται IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), η οποία περιέχει μια πληθώρα γεωχωρικών και δεδομένα Internet of Things (IoT).
Παραδόξως, το ίδιο στοιχείο PDL έχει μια άλλη μοναδική εφαρμογή. Όταν περιστρέφεται, χρησιμεύει ως ένα ιδανικό πειραματικό σύστημα photo-Hall για τη λήψη μιας μονοκατευθυντικής και καθαρής αρμονικής ταλάντωσης του μαγνητικού πεδίου (Εικόνα 2c). Το πιο σημαντικό είναι ότι το σύστημα παρέχει αρκετό χώρο για να επιτρέπει το φωτισμό μιας ευρείας περιοχής του δείγματος, κάτι που είναι κρίσιμο στα πειράματα photo-Hall.
Επιπτώσεις
Η νέα μέθοδος photo-hall που έχουμε αναπτύξει μας επιτρέπει να εξάγουμε εκπληκτικό όγκο πληροφοριών από ημιαγωγούς. Σε αντίθεση με μόνο τρεις παραμέτρους που λαμβάνονται στην κλασική μέτρηση Hall, αυτή η νέα μέθοδος αποδίδει έως και επτά παραμέτρους σε κάθε μία από τις εντάσεις φωτός που δοκιμάστηκαν. Αυτό περιλαμβάνει την κινητικότητα τόσο των ηλεκτρονίων όσο και των οπών. τη συγκέντρωση του φορέα τους υπό την επίδραση του φωτός. διάρκεια ζωής ανασυνδυασμού. και μήκος διάχυσης για ηλεκτρόνια, οπές και αμφιπολικούς τύπους. Όλα αυτά μπορούν να επαναληφθούν Ν φορές (δηλαδή ο αριθμός των παραμέτρων έντασης φωτός που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα).
Αυτή η νέα ανακάλυψη και τεχνολογία θα βοηθήσει στην πρόοδο των ημιαγωγών τόσο στις υπάρχουσες όσο και στις αναδυόμενες τεχνολογίες. Τώρα έχουμε τις γνώσεις και τα εργαλεία που απαιτούνται για την εξαγωγή των φυσικών χαρακτηριστικών των υλικών ημιαγωγών με μεγάλη λεπτομέρεια. Για παράδειγμα, θα βοηθήσει στην επιτάχυνση της ανάπτυξης τεχνολογίας ημιαγωγών επόμενης γενιάς, όπως καλύτερα ηλιακά πάνελ, καλύτερες οπτοηλεκτρονικές συσκευές και νέα υλικά και συσκευές για τεχνολογίες τεχνητής νοημοσύνης.
άρθρο που δημοσιεύτηκε στις 7 Οκτωβρίου 2019 στο .
Μετάφραση: Νικολάι Μάριν (), Chief Technology Officer της IBM στη Ρωσία και τις χώρες της ΚΑΚ.
Πηγή: www.habr.com