Traducción de un artículo de autores de IBM Research.
Un avance importante en física nos permitirá estudiar las características físicas de los semiconductores con mucho más detalle. Esto puede ayudar a acelerar el desarrollo de la tecnología de semiconductores de próxima generación.
Autores:
— Miembro del personal, IBM Research
Doug Bishop - Ingeniero de caracterización, IBM Research
Los semiconductores son los componentes básicos de la era electrónica digital actual y nos proporcionan una variedad de dispositivos que benefician nuestra vida moderna, como computadoras, teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles. Las mejoras en la funcionalidad y el rendimiento de los semiconductores también están permitiendo aplicaciones de semiconductores de próxima generación en informática, detección y conversión de energía. Los investigadores han luchado durante mucho tiempo para superar las limitaciones de nuestra capacidad para comprender completamente las cargas electrónicas dentro de los dispositivos semiconductores y los materiales semiconductores avanzados que frenan nuestra capacidad de avanzar.
En un nuevo estudio en la revista Una colaboración de investigación dirigida por IBM Research describe un avance emocionante en la resolución de un misterio de la física de 140 años de antigüedad, que nos permitirá estudiar las características físicas de los semiconductores con mucho mayor detalle y permitirá el desarrollo de materiales semiconductores nuevos y mejorados.
Para comprender verdaderamente la física de los semiconductores, primero debemos comprender las propiedades fundamentales de los portadores de carga dentro de los materiales, ya sean partículas negativas o positivas, su velocidad en un campo eléctrico aplicado y cuán densamente están empaquetados dentro del material. El físico Edwin Hall encontró una manera de determinar estas propiedades en 1879 cuando descubrió que un campo magnético desviaría el movimiento de las cargas de electrones dentro de un conductor, y que la cantidad de deflexión se puede medir como la diferencia de potencial perpendicular al flujo direccional de cargas. partículas, como se muestra en la Figura 1a. Este voltaje, conocido como voltaje Hall, revela información significativa sobre los portadores de carga en el semiconductor, incluso si son electrones negativos o cuasipartículas positivas llamadas “agujeros”, qué tan rápido se mueven en un campo eléctrico o su “movilidad” (μ ), y su concentración (n) dentro del semiconductor.
Misterio de 140 años
Décadas después del descubrimiento de Hall, los investigadores también descubrieron que podían realizar mediciones del efecto Hall con luz (experimentos llamados foto-Hall, ver Figura 1b). En tales experimentos, la iluminación luminosa genera múltiples portadores, o pares de huecos de electrones, en semiconductores. Desafortunadamente, nuestra comprensión del efecto Hall básico solo nos ha proporcionado información sobre la mayoría (o la mayoría) de los portadores de carga. Los investigadores no pudieron extraer parámetros de ambos medios (principales y no principales) simultáneamente. Esta información es clave para muchas aplicaciones relacionadas con la luz, como paneles solares y otros dispositivos optoelectrónicos.
Estudio de la revista IBM Research revela uno de los secretos largamente guardados del efecto Hall. Investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), el Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea (KRICT), la Universidad de Duke e IBM han descubierto una nueva fórmula y técnica que nos permite extraer simultáneamente información sobre los elementos básicos y no básicos. portadores, como su concentración y movilidad, así como obtener información adicional sobre la vida útil del portador, la longitud de difusión y el proceso de recombinación.
Más específicamente, en un experimento fotográfico de Hall, ambos portadores contribuyen a cambios en la conductividad (σ) y el coeficiente de Hall (H, proporcional a la relación entre el voltaje de Hall y el campo magnético). Los conocimientos clave se obtienen al medir la conductividad y el coeficiente de Hall en función de la intensidad de la luz. Oculta en la forma de la curva del coeficiente de conductividad-Hall (σ-H) se muestra información fundamentalmente nueva: la diferencia en la movilidad de ambos portadores. Como se analiza en el artículo, esta relación se puede expresar elegantemente:
$$mostrar$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$mostrar$$
Comenzando con una densidad de portadores mayoritarios conocida a partir de una medición Hall tradicional en la oscuridad, podemos revelar la movilidad y densidad de los portadores mayoritarios y minoritarios en función de la intensidad de la luz. El equipo nombró al nuevo método de medición: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Con una intensidad de iluminación conocida, la vida útil del soporte se puede establecer de manera similar. Esta conexión y sus soluciones han estado ocultas durante casi un siglo y medio desde el descubrimiento del efecto Hall.
Además de los avances en esta comprensión teórica, los avances en los métodos experimentales también son fundamentales para permitir este nuevo método. El método requiere una medición pura de la señal Hall, lo que puede resultar difícil para materiales en los que la señal Hall es débil (por ejemplo, debido a una baja movilidad) o cuando hay señales adicionales no deseadas, como ocurre con una fuerte irradiación de luz. Para ello es necesario realizar una medición Hall mediante un campo magnético oscilante. Al igual que cuando escuchas la radio, debes seleccionar la frecuencia de la estación deseada, descartando todas las demás frecuencias que actúan como ruido. El método CRPH va un paso más allá y selecciona no sólo la frecuencia deseada sino también la fase del campo magnético oscilante mediante un método llamado detección sincrónica. Este concepto de medición Hall oscilante se conoce desde hace mucho tiempo, pero el método tradicional de utilizar un sistema de bobinas electromagnéticas para generar un campo magnético oscilante resultó ineficaz.
Descubrimiento anterior
Como suele ocurrir en la ciencia, los avances en un área están impulsados por descubrimientos en otra. En 2015, IBM Research informó sobre un fenómeno en física previamente desconocido asociado con un nuevo efecto de confinamiento del campo magnético llamado efecto “joroba de camello”, que ocurre entre dos líneas de dipolos transversales cuando exceden una longitud crítica, como se muestra en la Figura 2a. El efecto es una característica clave que permite un nuevo tipo de trampa magnética natural llamada trampa de línea dipolar paralela (trampa PDL), como se muestra en la Figura 2b. La trampa magnética PDL se puede utilizar como una plataforma novedosa para una variedad de aplicaciones de detección, como inclinómetros y sismómetros (sensores de terremotos). Estos nuevos sistemas de sensores, junto con tecnologías de big data, podrían abrir muchas aplicaciones nuevas y están siendo explorados por el equipo de investigación de IBM que está desarrollando una plataforma de análisis de big data llamada IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), que contiene una gran cantidad de datos geoespaciales. y datos de Internet de las Cosas (IoT).
Sorprendentemente, el mismo elemento PDL tiene otra aplicación única. Cuando se gira, sirve como un sistema de experimento fotográfico de Hall ideal para obtener una oscilación armónica pura y unidireccional del campo magnético (Figura 2c). Más importante aún, el sistema proporciona suficiente espacio para permitir la iluminación de una amplia zona de la muestra, lo cual es fundamental en los experimentos fotográficos de Hall.
Impacto
El nuevo método de sala fotográfica que hemos desarrollado nos permite extraer una cantidad asombrosa de información de los semiconductores. A diferencia de los tres parámetros obtenidos con la medición Hall clásica, este nuevo método proporciona hasta siete parámetros para cada una de las intensidades de luz probadas. Esto incluye la movilidad tanto de electrones como de huecos; la concentración de su portador bajo la influencia de la luz; vida útil de recombinación; y longitud de difusión para electrones, huecos y tipos ambipolares. Todo esto se puede repetir N veces (es decir, el número de parámetros de intensidad de luz utilizados en el experimento).
Este nuevo descubrimiento y tecnología ayudarán a avanzar en los avances de los semiconductores en tecnologías existentes y emergentes. Ahora disponemos del conocimiento y las herramientas necesarias para extraer con gran detalle las características físicas de los materiales semiconductores. Por ejemplo, ayudará a acelerar el desarrollo de tecnología de semiconductores de próxima generación, como mejores paneles solares, mejores dispositivos optoelectrónicos y nuevos materiales y dispositivos para tecnologías de inteligencia artificial.
artículo publicado el 7 de octubre de 2019 en .
Traducción: Nikolay Marín (), Director de Tecnología de IBM en Rusia y los países de la CEI.
Fuente: habr.com