Prijevod članka autora iz IBM Research.
Važan iskorak u fizici omogućit će nam mnogo detaljnije proučavanje fizičkih karakteristika poluvodiča. To bi moglo pomoći ubrzati razvoj tehnologije poluvodiča sljedeće generacije.
Autori:
— Član osoblja, IBM Research
Doug Bishop - inženjer karakterizacije, IBM Research
Poluvodiči su osnovni građevni blokovi današnjeg digitalnog elektroničkog doba, koji nam pružaju niz uređaja koji koriste našem modernom životu, poput računala, pametnih telefona i drugih mobilnih uređaja. Poboljšanja u funkcionalnosti i performansama poluvodiča također omogućuju primjenu poluvodiča sljedeće generacije u računalstvu, senzorima i pretvorbi energije. Istraživači su se dugo borili da prevladaju ograničenja u našoj sposobnosti da u potpunosti razumijemo elektroničke naboje unutar poluvodičkih uređaja i naprednih poluvodičkih materijala koji koče našu sposobnost da napredujemo.
U novoj studiji u časopisu Istraživačka suradnja koju vodi IBM Research opisuje uzbudljivi napredak u rješavanju 140 godina stare misterije u fizici, onaj koji će nam omogućiti da proučavamo fizikalne karakteristike poluvodiča s mnogo više detalja i omogućiti razvoj novih i poboljšanih poluvodičkih materijala.
Da bismo uistinu razumjeli fiziku poluvodiča, prvo moramo razumjeti temeljna svojstva nositelja naboja unutar materijala, jesu li negativne ili pozitivne čestice, njihovu brzinu u primijenjenom električnom polju i koliko su gusto upakirani unutar materijala. Fizičar Edwin Hall pronašao je način za određivanje ovih svojstava 1879. kada je otkrio da će magnetsko polje skrenuti kretanje naboja elektrona unutar vodiča i da se količina otklona može izmjeriti kao razlika potencijala okomito na usmjereni tok nabijenog čestica, kao što je prikazano na slici 1a. Ovaj napon, poznat kao Hallov napon, otkriva značajne informacije o nositeljima naboja u poluvodiču, uključujući jesu li negativni elektroni ili pozitivne kvazičestice koje se nazivaju "rupe", koliko se brzo kreću u električnom polju ili njihovu "pokretljivost" (µ ) , te njihovu koncentraciju (n) unutar poluvodiča.
140 godina stara misterija
Desetljećima nakon Hallovog otkrića, istraživači su također otkrili da mogu napraviti mjerenja Hallovog efekta sa svjetlom—eksperimenti nazvani foto-Hall, vidi sliku 1b. U takvim eksperimentima svjetlosno osvjetljenje stvara višestruke nosioce ili parove elektron-šupljina u poluvodičima. Nažalost, naše razumijevanje osnovnog Hallovog efekta omogućilo je uvid samo u većinu (ili većinu) nositelja naboja. Istraživači nisu mogli izvući parametre iz oba medija (glavnog i neglavnog) istovremeno. Takve su informacije ključne za mnoge aplikacije povezane sa svjetlom, kao što su solarni paneli i drugi optoelektronički uređaji.
Studija časopisa IBM Research otkriva jednu od dugo čuvanih tajni Hallovog efekta. Istraživači s Korejskog naprednog instituta za znanost i tehnologiju (KAIST), Korejskog istraživačkog instituta za kemijsku tehnologiju (KRICT), Sveučilišta Duke i IBM-a otkrili su novu formulu i tehniku koja nam omogućuje istovremeno izvlačenje informacija o osnovnim i nebazičnim nositelja, poput njihove koncentracije i mobilnosti, kao i dobiti dodatne informacije o životnom vijeku nositelja, duljini difuzije i procesu rekombinacije.
Točnije, u foto-Hall eksperimentu, oba nosača doprinose promjenama u vodljivosti (σ) i Hallovom koeficijentu (H, proporcionalan omjeru Hallovog napona i magnetskog polja). Ključni uvidi dolaze iz mjerenja vodljivosti i Hallovog koeficijenta kao funkcije intenziteta svjetlosti. Skriven u obliku krivulje vodljivosti-Hallovog koeficijenta (σ-H) pokazuje fundamentalno novu informaciju: razliku u pokretljivosti obaju nositelja. Kao što je objašnjeno u članku, ovaj se odnos može elegantno izraziti:
$$prikaz$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$prikaz$$
Polazeći od poznate gustoće većinskog nositelja iz tradicionalnog Hallovog mjerenja u mraku, možemo otkriti pokretljivost i gustoću većinskog i manjinskog nositelja kao funkciju intenziteta svjetla. Tim je novu metodu mjerenja nazvao: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). S poznatim intenzitetom svjetlosnog osvjetljenja, životni vijek nosača može se utvrditi na sličan način. Ova veza i njezina rješenja skrivaju se gotovo stoljeće i pol od otkrića Hallovog efekta.
Osim napretka u ovom teoretskom razumijevanju, napredak u eksperimentalnim metodama također je ključan za omogućavanje ove nove metode. Metoda zahtijeva čisto mjerenje Hallovog signala, što može biti teško za materijale kod kojih je Hallov signal slab (na primjer, zbog niske pokretljivosti) ili kada su prisutni dodatni neželjeni signali, kao kod jakog svjetlosnog zračenja. Za to je potrebno provesti Hallovo mjerenje pomoću oscilirajućeg magnetskog polja. Kao i kod slušanja radija, potrebno je odabrati frekvenciju željene postaje, odbacujući sve ostale frekvencije koje djeluju kao šum. CRPH metoda ide korak dalje i odabire ne samo željenu frekvenciju već i fazu oscilirajućeg magnetskog polja pomoću metode koja se naziva sinkroni senzor. Ovaj koncept oscilirajućeg Hallovog mjerenja odavno je poznat, ali tradicionalna metoda korištenja sustava elektromagnetskih zavojnica za generiranje oscilirajućeg magnetskog polja bila je neučinkovita.
Prethodno otkriće
Kao što se često događa u znanosti, napredak u jednom području potaknut je otkrićima u drugom. U 2015., IBM Research je izvijestio o prethodno nepoznatom fenomenu u fizici povezanom s novim efektom ograničenja magnetskog polja koji se naziva efekt "devine grbe", koji se javlja između dvije linije transverzalnih dipola kada prijeđu kritičnu duljinu, kao što je prikazano na slici 2a. Učinak je ključna značajka koja omogućuje novu vrstu prirodne magnetske zamke koja se naziva zamka paralelne dipolne linije (PDL zamka), kao što je prikazano na slici 2b. Magnetska PDL zamka može se koristiti kao nova platforma za različite senzorske aplikacije kao što su nagibomjer, seizmometar (senzor potresa). Takvi novi sustavi senzora, zajedno s tehnologijama velikih podataka, mogli bi otvoriti mnoge nove aplikacije, a istražuje ih IBM-ov istraživački tim koji razvija platformu za analitiku velikih podataka pod nazivom IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), koja sadrži mnoštvo geoprostornih i podatke o Internetu stvari (IoT).
Iznenađujuće, isti PDL element ima još jednu jedinstvenu primjenu. Kada se okrene, služi kao idealan foto-Hallov eksperimentalni sustav za dobivanje jednosmjerne i čiste harmonijske oscilacije magnetskog polja (slika 2c). Što je još važnije, sustav pruža dovoljno prostora za osvjetljavanje širokog područja uzorka, što je kritično u foto-Hall eksperimentima.
Udar
Nova photo-hall metoda koju smo razvili omogućuje nam izvlačenje nevjerojatne količine informacija iz poluvodiča. Za razliku od samo tri parametra dobivena klasičnim Hallovim mjerenjem, ova nova metoda daje do sedam parametara za svaki od testiranih intenziteta svjetlosti. To uključuje mobilnost i elektrona i šupljina; koncentracija njihovog nosača pod utjecajem svjetlosti; životni vijek rekombinacije; i difuzijska duljina za elektrone, šupljine i ambipolarne tipove. Sve se to može ponoviti N puta (tj. broj parametara intenziteta svjetlosti korištenih u eksperimentu).
Ovo novo otkriće i tehnologija pomoći će unaprijediti napredak poluvodiča u postojećim i novim tehnologijama. Sada imamo znanje i alate potrebne za izdvajanje fizičkih karakteristika poluvodičkih materijala do vrlo detalja. Na primjer, pomoći će ubrzati razvoj tehnologije poluvodiča sljedeće generacije, kao što su bolji solarni paneli, bolji optoelektronički uređaji i novi materijali i uređaji za tehnologije umjetne inteligencije.
članak objavljen 7. listopada 2019. u .
Prijevod: Nikolaj Marin (), glavni tehnološki direktor IBM-a u Rusiji i zemljama ZND-a.
Izvor: www.habr.com