IBM Researchi autorite artikkel tõlge.
Oluline läbimurre füüsikas võimaldab uurida pooljuhtide füüsikalisi omadusi palju suurema detailiga. See võib aidata kiirendada järgmise põlvkonna pooljuhttehnoloogia arengut.
Autorid:
— IBM Researchi töötaja
Doug Bishop — iseloomustustehnik, IBM Research
Pooljuhid on tänapäeva digitaalse, elektronika ajastu peamised ehitusplokid, pakkudes meile mitmekesiseid seadmeid, mis toovad kasu meie tänapäeva elule, nagu arvutid, nutitelefonid ja muud mobiilsed seadmed. Pooljuhtide funktsionaalsuse ja jõudluse parandamine võimaldab samuti tuleviku pooljuhtide rakendusi arvutustes, tuvastamistes ja energia muundamistes. Teadlased on pikka aega võidelnud, et ületada meie võimet täielikult mõista elektronlaengute käitumist pooljuhtseadmetes ja arenenud pooljuhtmaterjalides, mis takistavad meie võimalust edasi liikuda.
Uues uuringus ajakirjas IBM Researchi juhitud teadusuuringute kaastöö kirjeldab põnevat läbimurret, mis aitab lahendada 140-aastast füüsika saladust ja võimaldab meil uurida pooljuhtide füüsikalisi omadusi palju põhjalikumalt ning edendada uute täiustatud pooljuhtmaterjalide arengut.
Ettevõtte tegelikuks mõistmiseks peame esmalt uurima laengukandjate alusomaduseid materjalides, olgu need siis negatiivsed osakesed või positiivsed, nende kiirus rakendatud elektriväljas ja kui tihedalt need materjalis paiknevad. Füüsik Edwin Hall leidis 1879. aastal viisi nende omaduste määramiseks, kui ta avastas, et magnetväli kõrvaldab elektronide liikumise juhtmes ja et kõrvalekalde suurust saab mõõta potentsiaalide erinevusena, mis on risti laetud osakeste voolu suunaga, nagu on näidatud joonisel Figure 1a. See pinge, tuntud kui Halli pinge, avab olulisi teavet laengukandjate kohta pooljuhtides, sealhulgas selle, kas need on negatiivsed elektronid või positiivsed kvasiosakesed, mida nimetatakse "aukudeks", kui kiiresti nad elektriväljas liiguvad, või nende "liikuvus" (µ) ja nende kontsentratsioon (n) pooljuhtides.
140-aastane saladus
Aastakümnete pärast Halli avastamist on teadlased avastanud, et nad saavad Halli efekti mõõta ka valgusega – katsetes, mida nimetatakse foto-Halli efektiks, vt joonist Figure 1b. Sellistes katsetes genereerib valgus mitmeid kandjaid või elektronaukude paare pooljuhtides. Kahjuks on meie arusaam Halli efekti alusmehhanismist võimaldanud mõista vaid peamisi laengukandjaid (või enamiku kandjaid). Teadlased ei ole suutelised eraldama mõlema kandja (peamise ja mittepõhise) parameetreid samaaegselt. Selline teave on oluline paljude valgusega seotud rakenduste jaoks, nagu päikesepaneelid ja muud optoelektroonilised seadmed.
IBM Researchi uuring ajakirjas avab ühe pikaajalise Halli efekti saladuse. Korea Tehnoloogia Edendamise Instituudi (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST), Korea Keemiatehnoloogia Uuringute Instituudi (Korea Research Institute of Chemical Technology, KRICT), Duke Ülikooli ja IBM-i teadlased avastasid uue valemi ja tehnika, mis võimaldab meil samaaegselt eraldada teavet nii põhiosa kui ka mittepeamise kandja, nagu nende kontsentratsioon ja liikuvus, samuti saada lisainformatsiooni kandja eluiga, difusioonipikkuse ja rekombineerimisprotsessi kohta.
Täpsemalt, foto-Halli eksperimendis aitavad mõlemad kandjad kaasa muutustele juhtivuses (σ) ja Halli koefitsientis (H, mis on proportsionaalne Halli pingega magnetväljas). Peamine arusaam tuleb juhtivuse ja Halli koefitsiendi mõõtmisest valguse intensiivsuse funktsioonina. Juhtivuse-Halli koefitsiendi (σ-H) kõver näitab põhimõtteliselt uut teavet: mõlema kandja liikuvuse erinevust. Nagu artiklis arutatakse, saab seda seost elegantsemalt väljendada:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Alustades tuntud kandjate tihedusest traditsioonilisest Halli mõõtmise meetodist pimedas, saame paljastada liikuvust ja kandjate tihedust nii enamuse kui ka vähemuse jaoks valguse intensiivsuse funktsioonina. Meeskond nimetas uut mõõtmismeetodit: kandjate lahendatud foto-Hall (Carrier-Resolved Photo Hall, CRPH). Teatud valgusintensiivsuse korral saab kandja eksisteerimise aega sarnaselt määrata. See seos ja seotud lahendused on peidetud peaaegu poolteist sajandit alates Halli efekti avastamisest.
Lisaks teoreetilistele saavutustele on ka eksperimentaalsete meetodite edusammud üliolulised selle uue meetodi tõhususe tagamiseks. Meetod nõuab puhta Hall'i signaali mõõtmist, mis võib olla keeruline materjalide puhul, kus Hall'i signaal on nõrk (nt madala liikuvuse tõttu) või kui on olemas täiendavad soovimatud signaalid, nagu tugeva valguse kiirguse korral. Selleks on vajalik Hall'i mõõtmine kiiresti vahelduva magnetvälja abil. Nagu raadiot kuuldes, tuleb valida soovitud jaama sagedus, jättes kõrvale kõik muud sagedused, mis toimivad nagu müra. CRPH meetod läheb sammu kaugemale, valides mitte ainult soovitud sageduse, vaid ka vahelduva magnetvälja faasi meetodi kaudu, mida nimetatakse sünkroneeritud määramiseks. See vahelduv Hall'i mõõtmise kontseptsioon (oscillating Hall measurement) on ammu tuntud, kuid traditsiooniline meetod, mis kasutab elektromagnetiliste mähiste süsteemi vahelduva magnetvälja genereerimiseks, on olnud ebaefektiivne.
Eelnev avastus
Teaduses juhtub tihti, et edusammud ühes valdkonnas on seotud avastustega teises. 2015. aastal teatas IBM Research seni tundmatust füüsikafeenomenist, mis on seotud uue magnetvälja lõksu efektiga, mida nimetatakse "kameeli küüruks". See juhtub kahe ristdipooli vahel, kui need ületavad kriitilise pikkuse, nagu on näidatud joonisel Figure 2a. Efekt on hädavajalik omadus, mis tagab uue tüüpi loodusliku magnetilise lõksu, mida nimetatakse paralleelse dipooli lõksuks (parallel dipole line trap, PDL trap), nagu on näidatud joonisel Figure 2b. Magnetiline PDL-lõks võib toimida uusima platvormina mitmesuguste sensorirakenduste, näiteks kallutusanduri, seismomeetri (maavärina anduri) jaoks. Taolised uued sensorisüsteemid koos suurandmete tehnoloogiatega võivad avada mitmeid uusi rakendusi ja neid uurib IBM Researchi meeskond, mis arendab välja suurandmete analüüsi platvormi nimega IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), mis sisaldab suures koguses georuumilisi andmeid ja asjade Interneti (IoT) andmeid.
Üllataval kombel on sama PDL-elementel ka teine ainulaadne rakendus. Kui see pöörleb, toimib see ideaalse süsteemina Halli efekti eksperimendis, et saada ühesuunaline ja puhas harmooniline magnetvälja võnkumine (joonis Figure 2c). Mis veelgi olulisem, süsteem pakub piisavalt ruumi, et valgustada ulatuslikku ala proovis, mis on kriitilise tähtsusega Halli efekti katsetes.
Mõju
Uus Halli efekti meetod võimaldab meil ekstraheerida hämmastavalt palju teavet pooljuhtidest. Erinevalt klassikalisest Halli mõõtmisest, kus saadakse ainult kolm parameetrit, toob see uus meetod iga katsetatud valgustuse intensiivsuse kohta välja seitse parameetrit. Nende hulka kuuluvad nii elektronide kui ka auku liikuvus; nende kandjate kontsentratsioon valguse mõjul; rekombinatsiooni eluiga; ja difusioonipikkus elektronide, aukude ja ambipolaarse tüübi jaoks. Seda kõike saab korrata N korda (st katsetes kasutatavate kiirusparameetrite hulk).
Uus avastus ja tehnoloogia aitavad edendada pooljuhtide saavutusi nii olemasolevates kui ka arenevates tehnoloogiates. Meil on nüüd teadmised ja tööriistad, mis on vajalikud pooljuhtmaterjalide füüsikaliste omaduste väga detailseks väljavõtmiseks. Näiteks aitab see kiirendada järgmise põlvkonna pooljuhttehnoloogia arengut, sealhulgas paremaid päikesepaneele, paremaid optoelektroonika seadmeid ning uusi materjale ja seadmeid tehisintellekti tehnoloogiate jaoks.
artikkel avaldatud 7. oktoobril 2019 .
Tõlge: Nikolai Marin (), IBMi tehnoloogia peadirektor Venemaal ja SRÜ riikides.
Allikas: habr.com
