Traduction d'un article par des auteurs d'IBM Research.
Une avancée importante en physique nous permettra d’étudier les caractéristiques physiques des semi-conducteurs de manière beaucoup plus détaillée. Cela pourrait contribuer à accélérer le développement de la technologie des semi-conducteurs de nouvelle génération.
Auteurs:
— Membre du personnel, IBM Research
Doug Bishop - Ingénieur en caractérisation, IBM Research
Les semi-conducteurs sont les éléments de base de l'ère électronique numérique d'aujourd'hui, nous fournissant une variété d'appareils qui profitent à nos vies modernes, tels que les ordinateurs, les smartphones et autres appareils mobiles. Les améliorations apportées aux fonctionnalités et aux performances des semi-conducteurs permettent également des applications de semi-conducteurs de nouvelle génération dans les domaines de l'informatique, de la détection et de la conversion d'énergie. Les chercheurs luttent depuis longtemps pour surmonter les limites de notre capacité à comprendre pleinement les charges électroniques à l’intérieur des dispositifs semi-conducteurs et des matériaux semi-conducteurs avancés qui freinent notre capacité à avancer.
Dans une nouvelle étude parue dans la revue Une collaboration de recherche dirigée par IBM Research décrit une percée passionnante dans la résolution d'un mystère de la physique vieux de 140 ans, qui nous permettra d'étudier les caractéristiques physiques des semi-conducteurs de manière beaucoup plus détaillée et de développer de nouveaux matériaux semi-conducteurs améliorés.
Pour vraiment comprendre la physique des semi-conducteurs, nous devons d'abord comprendre les propriétés fondamentales des porteurs de charge dans les matériaux, s'il s'agit de particules négatives ou positives, leur vitesse dans un champ électrique appliqué et la densité de leur concentration dans le matériau. Le physicien Edwin Hall a trouvé un moyen de déterminer ces propriétés en 1879 lorsqu'il a découvert qu'un champ magnétique déviait le mouvement des charges électroniques dans un conducteur et que l'ampleur de la déviation pouvait être mesurée comme la différence de potentiel perpendiculaire au flux directionnel de charges chargées. particules, comme le montre la figure 1a. Cette tension, connue sous le nom de tension de Hall, révèle des informations importantes sur les porteurs de charge dans le semi-conducteur, notamment s'il s'agit d'électrons négatifs ou de quasiparticules positives appelées « trous », leur vitesse de déplacement dans un champ électrique ou leur « mobilité » (µ ) , et leur concentration (n) à l'intérieur du semi-conducteur.
Un mystère vieux de 140 ans
Des décennies après la découverte de Hall, les chercheurs ont également découvert qu'ils pouvaient mesurer l'effet Hall avec la lumière – des expériences appelées photo-Hall, voir Figure 1b. Dans de telles expériences, l’éclairage génère plusieurs porteurs, ou paires électron-trou, dans les semi-conducteurs. Malheureusement, notre compréhension de l’effet Hall de base nous a donné un aperçu uniquement de la majorité (ou de la majorité) des porteurs de charge. Les chercheurs n’ont pas pu extraire simultanément les paramètres des deux médias (majeurs et non majeurs). Ces informations sont essentielles pour de nombreuses applications liées à la lumière, telles que les panneaux solaires et autres dispositifs optoélectroniques.
Étude du magazine IBM Research révèle l'un des secrets longtemps gardés de l'effet Hall. Des chercheurs de l'Institut supérieur coréen des sciences et technologies (KAIST), de l'Institut coréen de recherche en technologie chimique (KRICT), de l'Université Duke et d'IBM ont découvert une nouvelle formule et une nouvelle technique qui nous permettent d'extraire simultanément des informations sur les substances fondamentales et non fondamentales. porteurs, tels que leur concentration et leur mobilité, ainsi que d'obtenir des informations supplémentaires sur la durée de vie du porteur, la longueur de diffusion et le processus de recombinaison.
Plus précisément, dans une expérience photo-Hall, les deux porteurs contribuent aux changements de conductivité (σ) et de coefficient de Hall (H, proportionnel au rapport de la tension de Hall au champ magnétique). Les informations clés proviennent de la mesure de la conductivité et du coefficient de Hall en fonction de l'intensité lumineuse. Cachée sous la forme de la courbe de conductivité-coefficient de Hall (σ-H), elle montre une information fondamentalement nouvelle : la différence de mobilité des deux porteurs. Comme indiqué dans l’article, cette relation peut s’exprimer avec élégance :
$$affichage$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$affichage$$
En partant d’une densité de porteurs majoritaires connue à partir d’une mesure de Hall traditionnelle dans l’obscurité, nous pouvons révéler la mobilité et la densité des porteurs majoritaires et minoritaires en fonction de l’intensité lumineuse. L’équipe a nommé la nouvelle méthode de mesure : Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Avec une intensité d'éclairage connue, la durée de vie du support peut être établie de la même manière. Cette connexion et ses solutions sont restées cachées pendant près d'un siècle et demi depuis la découverte de l'effet Hall.
Outre les progrès dans cette compréhension théorique, les progrès dans les méthodes expérimentales sont également essentiels pour permettre cette nouvelle méthode. La méthode nécessite une mesure pure du signal Hall, ce qui peut s'avérer difficile pour les matériaux dans lesquels le signal Hall est faible (par exemple, en raison d'une faible mobilité) ou lorsque des signaux indésirables supplémentaires sont présents, comme en cas de forte irradiation lumineuse. Pour ce faire, il est nécessaire d'effectuer une mesure de Hall à l'aide d'un champ magnétique oscillant. Tout comme lorsque vous écoutez la radio, vous devez sélectionner la fréquence de la station souhaitée, en écartant toutes les autres fréquences qui agissent comme du bruit. La méthode CRPH va encore plus loin et sélectionne non seulement la fréquence souhaitée mais également la phase du champ magnétique oscillant à l'aide d'une méthode appelée détection synchrone. Ce concept de mesure de Hall oscillant est connu depuis longtemps, mais la méthode traditionnelle consistant à utiliser un système de bobines électromagnétiques pour générer un champ magnétique oscillant était inefficace.
Découverte précédente
Comme cela arrive souvent en science, les progrès dans un domaine sont motivés par les découvertes dans un autre. En 2015, IBM Research a signalé un phénomène physique jusqu'alors inconnu associé à un nouvel effet de confinement du champ magnétique appelé effet « bosse de chameau », qui se produit entre deux lignes de dipôles transversaux lorsqu'ils dépassent une longueur critique, comme le montre la figure 2a. Cet effet est une caractéristique clé qui permet un nouveau type de piège magnétique naturel appelé piège à ligne dipolaire parallèle (piège PDL), comme le montre la figure 2b. Le piège magnétique PDL peut être utilisé comme nouvelle plate-forme pour diverses applications de détection telles que l'inclinomètre, le sismomètre (capteur de tremblement de terre). De tels nouveaux systèmes de capteurs, associés aux technologies Big Data, pourraient ouvrir la voie à de nombreuses nouvelles applications et sont explorés par l'équipe de recherche IBM qui développe une plate-forme d'analyse Big Data appelée IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), qui contient une multitude d'informations géospatiales. et les données de l'Internet des objets (IoT).
Étonnamment, le même élément PDL a une autre application unique. Lorsqu'il est tourné, il sert de système d'expérimentation photo-Hall idéal pour obtenir une oscillation harmonique unidirectionnelle et pure du champ magnétique (Figure 2c). Plus important encore, le système fournit suffisamment d’espace pour permettre l’éclairage d’une large zone de l’échantillon, ce qui est essentiel dans les expériences photo-Hall.
Impact
La nouvelle méthode photo-hall que nous avons développée nous permet d’extraire une quantité incroyable d’informations des semi-conducteurs. Contrairement aux trois paramètres obtenus lors de la mesure Hall classique, cette nouvelle méthode donne jusqu'à sept paramètres pour chacune des intensités lumineuses testées. Cela inclut la mobilité des électrons et des trous ; la concentration de leur porteur sous l'influence de la lumière ; durée de vie de recombinaison ; et longueur de diffusion pour les électrons, les trous et les types ambipolaires. Tout cela peut être répété N fois (soit le nombre de paramètres d’intensité lumineuse utilisés dans l’expérience).
Cette nouvelle découverte et cette nouvelle technologie contribueront à faire progresser les semi-conducteurs dans les technologies existantes et émergentes. Nous disposons désormais des connaissances et des outils nécessaires pour extraire de manière très détaillée les caractéristiques physiques des matériaux semi-conducteurs. Par exemple, cela contribuera à accélérer le développement de la technologie des semi-conducteurs de nouvelle génération, comme de meilleurs panneaux solaires, de meilleurs dispositifs optoélectroniques et de nouveaux matériaux et dispositifs pour les technologies d’intelligence artificielle.
article publié le 7 octobre 2019 dans .
Traduction: Nikolaï Marin (), Directeur de la technologie IBM en Russie et dans les pays de la CEI.
Source: habr.com