Tradución dun artigo de autores de IBM Research.
Un importante avance na física permitiranos estudar con moito maior detalle as características físicas dos semicondutores. Isto pode axudar a acelerar o desenvolvemento da tecnoloxía de semicondutores de próxima xeración.
Os autores:
— Membro do persoal de IBM Research
Doug Bishop - Enxeñeiro de Caracterización, IBM Research
Os semicondutores son os bloques básicos da era electrónica dixital actual, que nos proporcionan unha variedade de dispositivos que benefician a nosa vida moderna, como ordenadores, teléfonos intelixentes e outros dispositivos móbiles. As melloras na funcionalidade e o rendemento dos semicondutores tamén permiten aplicacións de semicondutores de próxima xeración en computación, detección e conversión de enerxía. Os investigadores levan moito tempo loitando para superar as limitacións da nosa capacidade para comprender plenamente as cargas electrónicas dentro dos dispositivos semicondutores e materiais semicondutores avanzados que están a frear a nosa capacidade de avanzar.
Nun novo estudo na revista Unha colaboración de investigación dirixida por IBM Research describe un avance emocionante na resolución dun misterio de física de 140 anos de antigüidade, que nos permitirá estudar as características físicas dos semicondutores con moito máis detalle e permitir o desenvolvemento de materiais semicondutores novos e mellorados.
Para comprender verdadeiramente a física dos semicondutores, primeiro debemos comprender as propiedades fundamentais dos portadores de carga dentro dos materiais, tanto se son partículas negativas como positivas, a súa velocidade nun campo eléctrico aplicado e a súa densidade dentro do material. O físico Edwin Hall atopou unha forma de determinar estas propiedades en 1879 cando descubriu que un campo magnético desviará o movemento das cargas electrónicas dentro dun condutor, e que a cantidade de deflexión pódese medir como a diferenza de potencial perpendicular ao fluxo direccional de cargas cargadas. partículas, como se mostra na figura 1a. Esta tensión, coñecida como tensión de Hall, revela información importante sobre os portadores de carga no semicondutor, incluíndo se son electróns negativos ou cuasipartículas positivas chamadas "buratos", a rapidez con que se moven nun campo eléctrico ou a súa "mobilidade" (µ). ) , e a súa concentración (n) no interior do semicondutor.
Misterio de 140 anos
Décadas despois do descubrimento de Hall, os investigadores tamén descubriron que podían facer medicións do efecto Hall coa luz, experimentos chamados photo-Hall, ver a Figura 1b. Nestes experimentos, a iluminación da luz xera múltiples portadores, ou pares de electróns-buratos, en semicondutores. Desafortunadamente, a nosa comprensión do efecto Hall básico proporcionou información só sobre os operadores de carga maioritarios (ou maioritarios). Os investigadores non puideron extraer parámetros de ambos os medios (principais e non importantes) simultaneamente. Esta información é fundamental para moitas aplicacións relacionadas coa luz, como paneis solares e outros dispositivos optoelectrónicos.
Estudo da revista IBM Research revela un dos segredos longamente gardados do efecto Hall. Investigadores do Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), a Universidade de Duke e IBM descubriron unha nova fórmula e técnica que nos permite extraer simultáneamente información sobre o básico e o non básico. portadores, como a súa concentración e mobilidade, así como obter información adicional sobre a vida útil do portador, a lonxitude de difusión e o proceso de recombinación.
Máis concretamente, nun experimento foto-Hall, ambos os portadores contribúen a cambios na condutividade (σ) e no coeficiente de Hall (H, proporcional á relación entre a tensión de Hall e o campo magnético). Os coñecementos clave proceden da medición da condutividade e do coeficiente de Hall en función da intensidade da luz. Oculto na forma da curva do coeficiente de condutividade-Hall (σ-H) amosa información fundamentalmente nova: a diferenza na mobilidade de ambos os portadores. Como se comenta no artigo, esta relación pódese expresar con elegancia:
$$mostrar$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$mostrar$$
Comezando cunha densidade de portadores maioritaria coñecida a partir dunha medición tradicional de Hall na escuridade, podemos revelar a mobilidade e a densidade de portadores maioritarios e minoritarios en función da intensidade da luz. O equipo nomeou o novo método de medición: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Cunha intensidade coñecida de iluminación da luz, a vida útil do portador pódese establecer dun xeito similar. Esta conexión e as súas solucións levan case século e medio ocultas desde o descubrimento do efecto Hall.
Ademais dos avances nesta comprensión teórica, os avances nos métodos experimentais tamén son críticos para habilitar este novo método. O método require unha medición pura do sinal de Hall, o que pode ser difícil para materiais onde o sinal de Hall é débil (por exemplo, debido á baixa mobilidade) ou cando hai sinais adicionais non desexados, como ocorre coa irradiación luminosa forte. Para iso é necesario realizar unha medida de Hall mediante un campo magnético oscilante. Do mesmo xeito que cando escoitas a radio, cómpre seleccionar a frecuencia da emisora desexada, descartando todas as demais frecuencias que actúan como ruído. O método CRPH vai un paso máis alá e selecciona non só a frecuencia desexada senón tamén a fase do campo magnético oscilante mediante un método chamado detección sincrónica. Este concepto de medición de Hall oscilante é coñecido desde hai tempo, pero o método tradicional de usar un sistema de bobinas electromagnéticas para xerar un campo magnético oscilante era ineficaz.
Descubrimento anterior
Como adoita suceder na ciencia, os avances nunha área están impulsados polos descubrimentos noutros. En 2015, IBM Research informou dun fenómeno anteriormente descoñecido en física asociado a un novo efecto de confinamento do campo magnético chamado efecto "xoba de camelo", que se produce entre dúas liñas de dipolos transversais cando superan unha lonxitude crítica, como se mostra na Figura 2a. O efecto é unha característica clave que permite un novo tipo de trampa magnética natural chamada trampa de liña dipolo paralela (trampa PDL), como se mostra na figura 2b. A trampa PDL magnética pódese usar como unha plataforma novedosa para unha variedade de aplicacións de detección, como tiltmeter, sismómetro (sensor de terremotos). Estes novos sistemas de sensores, xunto coas tecnoloxías de big data, poderían abrir moitas aplicacións novas, e están sendo explorados polo equipo de investigación de IBM que desenvolve unha plataforma de análise de grandes datos chamada IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), que contén unha gran cantidade de datos xeoespaciais. e datos de Internet das Cousas (IoT).
Sorprendentemente, o mesmo elemento PDL ten outra aplicación única. Cando se xira, serve como un sistema de experimentos foto-Hall ideal para obter unha oscilación harmónica unidireccional e pura do campo magnético (Figura 2c). Máis importante aínda, o sistema proporciona espazo suficiente para permitir a iluminación dunha ampla área da mostra, o que é fundamental nos experimentos de Photo-Hall.
Influencia
O novo método de photo-hall que desenvolvemos permítenos extraer unha incrible cantidade de información dos semicondutores. En contraste con só tres parámetros obtidos na medida clásica de Hall, este novo método proporciona ata sete parámetros en cada unha das intensidades luminosas probadas. Isto inclúe a mobilidade tanto dos electróns como dos buratos; a concentración do seu portador baixo a influencia da luz; vida útil de recombinación; e lonxitude de difusión para electróns, buratos e tipos ambipolares. Todo isto pódese repetir N veces (é dicir, o número de parámetros de intensidade luminosa utilizados no experimento).
Este novo descubrimento e tecnoloxía axudará a avanzar nos avances dos semicondutores tanto nas tecnoloxías existentes como nas emerxentes. Agora temos os coñecementos e as ferramentas necesarias para extraer con gran detalle as características físicas dos materiais semicondutores. Por exemplo, axudará a acelerar o desenvolvemento da tecnoloxía de semicondutores de próxima xeración, como mellores paneis solares, mellores dispositivos optoelectrónicos e novos materiais e dispositivos para tecnoloxías de intelixencia artificial.
artigo publicado o 7 de outubro de 2019 en .
Tradución: Nikolay Marín (), director de tecnoloxía de IBM en Rusia e os países da CEI.
Fonte: www.habr.com