IBM Researchi autorite artikli tõlge.
Oluline läbimurre füüsikas võimaldab meil pooljuhtide füüsikalisi omadusi palju üksikasjalikumalt uurida. See võib aidata kiirendada järgmise põlvkonna pooljuhttehnoloogia arengut.
Autorid:
— IBM Researchi töötaja
Doug Bishop – iseloomustusinsener, IBM Research
Pooljuhid on tänapäeva digitaalse elektroonikaajastu põhilised ehituskivid, pakkudes meile mitmesuguseid seadmeid, mis toovad kasu meie tänapäeva elule, nagu arvutid, nutitelefonid ja muud mobiilsed seadmed. Pooljuhtide funktsionaalsuse ja jõudluse täiustused võimaldavad ka järgmise põlvkonna pooljuhtide rakendusi andmetöötluses, tuvastuses ja energia muundamises. Teadlased on pikka aega võidelnud, et ületada piirangud meie võimes täielikult mõista pooljuhtseadmete ja täiustatud pooljuhtmaterjalide elektroonikalaenguid, mis takistavad meie edasiliikumist.
Ajakirja uues uuringus IBM Researchi juhitud teaduskoostöö kirjeldab põnevat läbimurret 140 aasta vanuse saladuse lahendamisel füüsikas, mis võimaldab meil palju üksikasjalikumalt uurida pooljuhtide füüsikalisi omadusi ning arendada uusi ja täiustatud pooljuhtmaterjale.
Pooljuhtide füüsika tõeliseks mõistmiseks peame kõigepealt mõistma materjalides sisalduvate laengukandjate põhiomadusi, olenemata sellest, kas need on negatiivsed või positiivsed osakesed, nende kiirust rakendatud elektriväljas ja seda, kui tihedalt need on materjali sees. Füüsik Edwin Hall leidis viisi nende omaduste määramiseks 1879. aastal, kui ta avastas, et magnetväli suunab elektronlaengute liikumist juhi sees ja et läbipainde suurust saab mõõta laengu suunavooluga risti oleva potentsiaalse erinevusena. osakesed, nagu on näidatud joonisel 1a. See pinge, mida nimetatakse Halli pingeks, näitab olulist teavet pooljuhtide laengukandjate kohta, sealhulgas selle kohta, kas need on negatiivsed elektronid või positiivsed kvaasiosakesed, mida nimetatakse aukudeks, kui kiiresti nad elektriväljas liiguvad või nende liikuvuse kohta (µ ) ja nende kontsentratsioon (n) pooljuhi sees.
140-aastane mõistatus
Aastakümneid pärast Halli avastust avastasid teadlased ka, et nad saavad Halli efekti mõõta valgusega – katsed, mida nimetatakse fotohalliks, vt joonis 1b. Sellistes katsetes tekitab valgusvalgus pooljuhtides mitu kandjat või elektron-augu paari. Kahjuks on meie arusaam Halli põhiefektist andnud ülevaate ainult enamuse (või enamuse) laengukandjatest. Teadlastel ei õnnestunud üheaegselt eraldada parameetreid mõlemast meediast (peamisest ja mitte-peamisest). Selline teave on võtmetähtsusega paljude valgusega seotud rakenduste, näiteks päikesepaneelide ja muude optoelektrooniliste seadmete jaoks.
IBM Research ajakirja uuring paljastab ühe Halli efekti kaua hoitud saladusi. Korea teaduse ja tehnoloogia arenenud instituudi (KAIST), Korea keemiatehnoloogia uurimisinstituudi (KRICT), Duke'i ülikooli ja IBM-i teadlased on avastanud uue valemi ja tehnika, mis võimaldab meil üheaegselt hankida teavet põhilise ja mittepõhilise teabe kohta. kandjaid, nagu nende kontsentratsioon ja liikuvus, samuti saada lisateavet kandja eluea, difusioonipikkuse ja rekombinatsiooniprotsessi kohta.
Täpsemalt, foto-Halli katses aitavad mõlemad kandjad kaasa juhtivuse (σ) ja Halli koefitsiendi (H, võrdeline Halli pinge ja magnetvälja suhtega) muutustele. Peamised teadmised tulenevad juhtivuse ja Halli koefitsiendi mõõtmisest valguse intensiivsuse funktsioonina. Juhtivuse-Halli koefitsiendi kõvera (σ-H) kujul peidus on näha põhimõtteliselt uut teavet: erinevust mõlema kandja liikuvuses. Nagu artiklis arutatud, saab seda suhet elegantselt väljendada:
$$kuva$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$kuva$$
Alustades teadaolevast enamuskandjate tihedusest traditsioonilisest Halli mõõtmisest pimedas, saame valguse intensiivsuse funktsioonina paljastada nii enamiku kui ka vähemuskandjate liikuvuse ja tiheduse. Meeskond andis uuele mõõtmismeetodile nimeks Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Teadaoleva valguse intensiivsusega saab kandja eluea määrata sarnasel viisil. Seda seost ja selle lahendusi on peidetud ligi poolteist sajandit alates Halli efekti avastamisest.
Lisaks selle teoreetilise arusaama edusammudele on selle uue meetodi võimaldamiseks kriitilise tähtsusega ka eksperimentaalsete meetodite edusammud. Meetod nõuab Halli signaali puhast mõõtmist, mis võib olla keeruline materjalide puhul, mille Halli signaal on nõrk (näiteks vähese liikuvuse tõttu) või kui esineb täiendavaid soovimatuid signaale, nagu tugeva valguskiirguse korral. Selleks on vaja teostada Halli mõõtmine võnkuva magnetvälja abil. Nii nagu raadiot kuulates, peate valima soovitud jaama sageduse, jättes kõrvale kõik muud mürana toimivad sagedused. CRPH-meetod läheb sammu edasi ja valib mitte ainult soovitud sageduse, vaid ka võnkuva magnetvälja faasi, kasutades meetodit, mida nimetatakse sünkroonseks sensoriks. See võnkuva Halli mõõtmise kontseptsioon on tuntud juba ammu, kuid traditsiooniline meetod elektromagnetmähiste süsteemi kasutamiseks võnkuva magnetvälja tekitamiseks oli ebaefektiivne.
Eelmine avastus
Nagu teaduses sageli juhtub, juhivad edusammud ühes valdkonnas avastused teises valdkonnas. 2015. aastal teatas IBM Research füüsikas varem tundmatust nähtusest, mis on seotud uue magnetvälja piiramise efektiga, mida nimetatakse kaameli küüru efektiks, mis ilmneb kahe põikdipooli joone vahel, kui need ületavad kriitilise pikkuse, nagu on näidatud joonisel 2a. Efekt on põhifunktsioon, mis võimaldab uut tüüpi looduslikku magnetlõksu, mida nimetatakse paralleeldipooljoone lõksuks (PDL-lõks), nagu on näidatud joonisel 2b. Magnetilist PDL-lõksu saab kasutada uudse platvormina mitmesuguste andurirakenduste jaoks, nagu kaldemõõtur, seismomeeter (maavärinaandur). Sellised uued andurisüsteemid koos suurandmete tehnoloogiatega võivad avada palju uusi rakendusi ja neid uurib IBMi uurimisrühm, kes töötab välja suurandmete analüüsiplatvormi nimega IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), mis sisaldab hulgaliselt georuumilisi andmeid. ja asjade Interneti andmed (IoT).
Üllataval kombel on samal PDL-elemendil veel üks unikaalne rakendus. Pööramisel toimib see ideaalse fotohalli katsesüsteemina, et saada magnetvälja ühesuunaline ja puhas harmooniline võnkumine (joonis 2c). Veelgi olulisem on see, et süsteem pakub piisavalt ruumi, et võimaldada valgustada proovi suurt ala, mis on fotosaali katsetes ülioluline.
Mõju
Uus fotosaali meetod, mille oleme välja töötanud, võimaldab meil eraldada pooljuhtidest hämmastavalt palju teavet. Erinevalt ainult kolmest klassikalise Halli mõõtmise käigus saadud parameetrist annab see uus meetod iga testitud valgustugevuse korral kuni seitse parameetrit. See hõlmab nii elektronide kui ka aukude liikuvust; nende kandja kontsentratsioon valguse mõjul; rekombinatsiooni eluiga; ja difusioonipikkus elektronide, aukude ja ambipolaarsete tüüpide jaoks. Kõike seda saab korrata N korda (ehk eksperimendis kasutatud valgustugevuse parameetrite arvu).
See uus avastus ja tehnoloogia aitavad edendada pooljuhtide edusamme nii olemasolevates kui ka uutes tehnoloogiates. Nüüd on meil pooljuhtmaterjalide füüsikaliste omaduste üksikasjalikuks väljavõtmiseks vajalikud teadmised ja tööriistad. Näiteks aitab see kiirendada järgmise põlvkonna pooljuhttehnoloogia arengut, nagu paremad päikesepaneelid, paremad optoelektroonilised seadmed ning uued materjalid ja seadmed tehisintellekti tehnoloogiate jaoks.
artikkel avaldati 7. oktoobril 2019 aastal .
Tõlge: Nikolai Marin (), IBM-i tehnoloogiadirektor Venemaal ja SRÜ riikides.
Allikas: www.habr.com