Käännös IBM Researchin kirjoittajien artikkelista.
Tärkeä läpimurto fysiikassa antaa meille mahdollisuuden tutkia puolijohteiden fysikaalisia ominaisuuksia paljon yksityiskohtaisemmin. Tämä voi auttaa nopeuttamaan seuraavan sukupolven puolijohdeteknologian kehitystä.
Tekijät:
— IBM Researchin henkilöstön jäsen
Doug Bishop - karakterisointiinsinööri, IBM Research
Puolijohteet ovat nykypäivän digitaalisen elektroniikka-ajan perusrakennuspalikoita, jotka tarjoavat meille erilaisia laitteita, jotka hyödyttävät nykyaikaista elämäämme, kuten tietokoneita, älypuhelimia ja muita mobiililaitteita. Puolijohteiden toiminnallisuuden ja suorituskyvyn parannukset mahdollistavat myös seuraavan sukupolven puolijohdesovellukset laskennassa, tunnistusssa ja energian muuntamisessa. Tutkijat ovat pitkään kamppailleet voittamaan rajoituksiamme kyvyssämme ymmärtää täysin puolijohdelaitteiden ja kehittyneiden puolijohdemateriaalien sisällä olevia elektronisia varauksia, jotka estävät kykyämme siirtyä eteenpäin.
Lehden uudessa tutkimuksessa IBM Researchin johtama tutkimusyhteistyö kuvaa jännittävää läpimurtoa 140 vuotta vanhan fysiikan mysteerin ratkaisemisessa, jonka avulla voimme tutkia puolijohteiden fysikaalisia ominaisuuksia paljon yksityiskohtaisemmin ja kehittää uusia ja parempia puolijohdemateriaaleja.
Puolijohteiden fysiikan todella ymmärtämiseksi meidän on ensin ymmärrettävä materiaalien sisällä olevien varauksenkuljettajien perusominaisuudet, ovatko ne negatiivisia vai positiivisia hiukkasia, niiden nopeus sovelletussa sähkökentässä ja kuinka tiheästi ne ovat pakattu materiaaliin. Fyysikko Edwin Hall löysi tavan määrittää nämä ominaisuudet vuonna 1879, kun hän havaitsi, että magneettikenttä poikkeuttaa elektronivarausten liikettä johtimessa ja että taipuman määrä voidaan mitata potentiaalierona, joka on kohtisuorassa varautuneen virtauksen suuntaiseen virtaukseen nähden. hiukkasia, kuten kuvassa 1a esitetään. Tämä jännite, joka tunnetaan nimellä Hall-jännite, paljastaa merkittävää tietoa puolijohteen varauksenkuljettajista, mukaan lukien ovatko ne negatiivisia elektroneja vai positiivisia kvasihiukkasia, joita kutsutaan "reikiksi", kuinka nopeasti ne liikkuvat sähkökentässä tai niiden "liikkuvuudesta" (µ ) ja niiden pitoisuus (n) puolijohteen sisällä.
140 vuotta vanha mysteeri
Vuosikymmeniä Hallin löydön jälkeen tutkijat havaitsivat myös, että he pystyivät mittaamaan Hall-ilmiötä valolla – kokeita kutsutaan photo-Halliksi, katso kuva 1b. Tällaisissa kokeissa valovalaistus synnyttää puolijohteisiin useita kantoaaltoja tai elektroni-reikäpareja. Valitettavasti ymmärryksemme Hallin perusilmiöstä on antanut käsityksen vain enemmistöstä (tai enemmistöstä) varauksenkuljettajista. Tutkijat eivät pystyneet poimimaan parametreja molemmista tiedotusvälineistä (pääasiallinen ja ei-pääaine) samanaikaisesti. Tällainen tieto on avainasemassa monissa valoon liittyvissä sovelluksissa, kuten aurinkopaneeleissa ja muissa optoelektronisissa laitteissa.
IBM Research -lehden tutkimus paljastaa yhden Hall-efektin pitkään pidetyistä salaisuuksista. Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University ja IBM:n tutkijat ovat löytäneet uuden kaavan ja tekniikan, jonka avulla voimme samanaikaisesti poimia tietoa perus- ja ei-perusasioista. kantajat, kuten niiden pitoisuus ja liikkuvuus, sekä saada lisätietoa kantajan eliniästä, diffuusion pituudesta ja rekombinaatioprosessista.
Tarkemmin sanottuna Photo-Hall-kokeessa kumpikin kantoaalto vaikuttaa muutoksiin johtavuudessa (σ) ja Hall-kertoimessa (H, verrannollinen Hall-jännitteen ja magneettikentän suhteeseen). Tärkeimmät oivallukset tulevat johtavuuden ja Hall-kertoimen mittaamisesta valon voimakkuuden funktiona. Johtavuus-Hall-kerroinkäyrän (σ-H) muotoon piilotettuna näkyy täysin uutta tietoa: molempien kantoaaltojen liikkuvuuden ero. Kuten artikkelissa käsiteltiin, tämä suhde voidaan ilmaista tyylikkäästi:
$$näyttö$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$näyttö$$
Alkaen tunnetusta enemmistön kantajatiheydestä perinteisestä Hall-mittauksesta pimeässä, voimme paljastaa sekä enemmistön että vähemmistön kantoaaltojen liikkuvuuden ja tiheyden valon intensiteetin funktiona. Tiimi nimesi uuden mittausmenetelmän: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Tunnetulla valon voimakkuudella kantoaineen käyttöikä voidaan määrittää samalla tavalla. Tämä yhteys ja sen ratkaisut ovat olleet piilossa lähes puolitoista vuosisataa Hall-ilmiön löytämisen jälkeen.
Tämän teoreettisen ymmärryksen edistymisen lisäksi kokeellisten menetelmien edistyminen on myös kriittistä tämän uuden menetelmän mahdollistamiseksi. Menetelmä vaatii puhtaan Hall-signaalin mittauksen, mikä voi olla vaikeaa materiaaleille, joissa Hall-signaali on heikko (esimerkiksi vähäisen liikkuvuuden vuoksi) tai kun on olemassa ylimääräisiä ei-toivottuja signaaleja, kuten voimakkaassa valosäteilyssä. Tätä varten on tarpeen suorittaa Hall-mittaus käyttämällä värähtelevää magneettikenttää. Aivan kuten radiota kuunneltaessa, sinun on valittava halutun aseman taajuus ja hylättävä kaikki muut kohinaa toimivat taajuudet. CRPH-menetelmä menee askeleen pidemmälle ja valitsee halutun taajuuden lisäksi myös värähtelevän magneettikentän vaiheen käyttämällä menetelmää, jota kutsutaan synkroniseksi tunnistukseksi. Tämä värähtelevän Hall-mittauksen käsite on ollut tunnettu pitkään, mutta perinteinen menetelmä käyttää sähkömagneettisten käämien järjestelmää värähtelevän magneettikentän muodostamiseksi oli tehoton.
Edellinen löytö
Kuten tieteessä usein tapahtuu, yhden alan kehitystä ohjaavat toisen alueen löydöt. IBM Research raportoi vuonna 2015 fysiikassa aiemmin tuntemattomasta ilmiöstä, joka liittyy uuteen magneettikentän rajoitusilmiöön nimeltä "kamelin kyttyrä" -ilmiö, joka esiintyy kahden poikittaisdipolin rivin välissä, kun ne ylittävät kriittisen pituuden, kuten kuvassa 2a. Vaikutus on keskeinen ominaisuus, joka mahdollistaa uudentyyppisen luonnollisen magneettisen loukun, jota kutsutaan rinnakkaisdipoliluukun (PDL-trap), kuten kuvassa 2b. Magneettista PDL-loukkua voidaan käyttää uutena alustana erilaisiin mittaussovelluksiin, kuten kallistusmittariin, seismometriin (maanjäristysanturi). Tällaiset uudet anturijärjestelmät yhdistettynä big data -teknologioihin voivat avata monia uusia sovelluksia, ja niitä tutkii IBM:n tutkimusryhmä, joka kehittää big datan analytiikkaalustaa nimeltä IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), joka sisältää runsaasti geospatiaalista tietoa. ja Internet of Things (IoT).
Yllättäen samalla PDL-elementillä on toinen ainutlaatuinen sovellus. Kierrettynä se toimii ihanteellisena Photo Hall -koejärjestelmänä magneettikentän yksisuuntaisen ja puhtaan harmonisen värähtelyn saamiseksi (kuva 2c). Vielä tärkeämpää on, että järjestelmä tarjoaa tarpeeksi tilaa laajan näytteen alueen valaisemiseksi, mikä on kriittistä Photo Hall -kokeissa.
Vaikutus
Kehittämämme uusi valokuvahallimenetelmä mahdollistaa hämmästyttävän määrän informaatiota puolijohteista. Toisin kuin klassisessa Hall-mittauksessa vain kolme parametria, tämä uusi menetelmä tuottaa jopa seitsemän parametria kullakin testatulla valovoimakkuudella. Tämä sisältää sekä elektronien että reikien liikkuvuuden; niiden kantajan pitoisuus valon vaikutuksesta; rekombinaation elinikä; ja diffuusiopituus elektroneille, reikille ja ambipolaarisille tyypeille. Kaikki tämä voidaan toistaa N kertaa (eli kokeessa käytettyjen valon intensiteettiparametrien lukumäärä).
Tämä uusi löytö ja teknologia auttavat edistämään puolijohteiden kehitystä sekä olemassa olevissa että uusissa teknologioissa. Meillä on nyt tarvittavat tiedot ja työkalut puolijohdemateriaalien fysikaalisten ominaisuuksien erottamiseen yksityiskohtaisesti. Se esimerkiksi auttaa nopeuttamaan seuraavan sukupolven puolijohdeteknologian kehitystä, kuten parempia aurinkopaneeleja, parempia optoelektronisia laitteita ja uusia materiaaleja ja laitteita tekoälyteknologiaan.
artikkeli julkaistu 7. lokakuuta 2019 .
Käännös: Nikolai Marin (), IBM:n teknologiajohtaja Venäjällä ja IVY-maissa.
Lähde: will.com