Az IBM Research szerzői cikkének fordítása.
Egy fontos áttörés a fizikában lehetővé teszi számunkra, hogy sokkal részletesebben tanulmányozzuk a félvezetők fizikai jellemzőit. Ez segíthet felgyorsítani a következő generációs félvezető technológia fejlődését.
Szerzők:
— Az IBM Research munkatársa
Doug Bishop - Jellemző mérnök, IBM Research
A félvezetők a mai digitális elektronikai kor alapvető építőkövei, amelyek számos olyan eszközt biztosítanak számunkra, amelyek a modern életünk javát szolgálják, például számítógépeket, okostelefonokat és más mobil eszközöket. A félvezetők funkcionalitásának és teljesítményének fejlesztése új generációs félvezető-alkalmazásokat is lehetővé tesz a számítástechnikában, az érzékelésben és az energiaátalakításban. A kutatók régóta küzdenek azért, hogy leküzdjék azokat a korlátokat, amelyek a félvezető eszközökben és a fejlett félvezető anyagokban rejlő elektronikus töltések teljes megértésében rejlő korlátok leküzdésében akadályozzák az előrelépést.
A folyóirat új tanulmányában Az IBM Research által vezetett kutatási együttműködés izgalmas áttörést ír le egy 140 éves fizika rejtély megoldásában, amely lehetővé teszi számunkra a félvezetők fizikai jellemzőinek sokkal részletesebb tanulmányozását, és lehetővé teszi új és továbbfejlesztett félvezető anyagok kifejlesztését.
Ahhoz, hogy valóban megértsük a félvezetők fizikáját, először meg kell értenünk az anyagokon belüli töltéshordozók alapvető tulajdonságait, függetlenül attól, hogy negatív vagy pozitív részecskékről van-e szó, sebességüket az alkalmazott elektromos térben, és azt, hogy milyen sűrűn vannak az anyagban. Edwin Hall fizikus 1879-ben talált módot ezeknek a tulajdonságoknak a meghatározására, amikor felfedezte, hogy a mágneses tér eltéríti az elektrontöltések mozgását a vezetőben, és hogy az elhajlás mértéke mérhető a töltés irányára merőleges potenciálkülönbségként. részecskék, amint azt az 1a. ábra mutatja. Ez a Hall-feszültségként ismert feszültség jelentős információkat tár fel a félvezető töltéshordozóiról, beleértve azt is, hogy negatív elektronokról vagy pozitív kvázirészecskékről van szó, amelyeket „lyukaknak” neveznek, milyen gyorsan mozognak az elektromos térben, vagy „mobilitásukról” (µ ) és koncentrációjuk (n) a félvezetőben.
140 éves rejtély
Évtizedekkel Hall felfedezése után a kutatók azt is felfedezték, hogy fénnyel is meg tudják mérni a Hall-effektust – ezeket a kísérleteket Photo-Hallnak nevezik, lásd az 1b. ábrát. Az ilyen kísérletekben a fény megvilágítása több hordozót vagy elektron-lyuk párt generál a félvezetőkben. Sajnos az alapvető Hall-effektus megértése csak a többségi (vagy többségi) töltéshordozókba engedett betekintést. A kutatók nem tudtak egyidejűleg paramétereket kinyerni mindkét (fő és nem fő) médiából. Ezek az információk kulcsfontosságúak számos fénnyel kapcsolatos alkalmazásnál, például napelemeknél és más optoelektronikai eszközöknél.
Az IBM Research magazin tanulmánya felfedi a Hall-effektus egyik régóta őrzött titkát. A Koreai Fejlett Tudományos és Technológiai Intézet (KAIST), a Koreai Kémiai Technológiai Kutatóintézet (KRICT), a Duke Egyetem és az IBM kutatói olyan új képletet és technikát fedeztek fel, amely lehetővé teszi számunkra, hogy egyidejűleg információkat nyerjünk ki az alapvető és nem alapvető dolgokról. hordozók, például koncentrációjuk és mobilitásuk, valamint további információkat szerezhet a hordozó élettartamáról, diffúziós hosszáról és a rekombinációs folyamatról.
Pontosabban, egy Photo-Hall-kísérletben mindkét hordozó hozzájárul a vezetőképesség (σ) és a Hall-együttható (H, a Hall-feszültség és a mágneses tér arányával arányos) változásához. A legfontosabb meglátások a vezetőképesség és a Hall-együttható méréséből származnak, a fényintenzitás függvényében. A vezetőképesség-Hall-együttható görbe (σ-H) alakjában elrejtve alapvetően új információ látható: a két hordozó mobilitásában mutatkozó különbség. A cikkben tárgyaltak szerint ez a kapcsolat elegánsan kifejezhető:
$$megjelenítés$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$megjelenítés$$
A hagyományos, sötétben végzett Hall mérésből származó ismert többségi hordozósűrűségből kiindulva mind a többségi, mind a kisebbségi hordozó mobilitását és sűrűségét feltárhatjuk a fényintenzitás függvényében. A csapat az új mérési módszert Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH) néven nevezte el. Ismert fényerősség mellett a hordozó élettartama hasonló módon határozható meg. Ez az összefüggés és megoldásai a Hall-effektus felfedezése óta csaknem másfél évszázada rejtve maradtak.
Az elméleti megértés fejlődése mellett a kísérleti módszerek fejlődése is kritikus fontosságú az új módszer lehetővé tételéhez. A módszer a Hall-jel tisztán mérését igényli, ami nehéz lehet azoknál az anyagoknál, ahol a Hall-jel gyenge (például az alacsony mobilitás miatt), vagy ha további nemkívánatos jelek vannak jelen, például erős fénysugárzás esetén. Ehhez Hall mérést kell végezni oszcilláló mágneses mező segítségével. Csakúgy, mint rádióhallgatáskor, itt is ki kell választania a kívánt állomás frekvenciáját, el kell vetnie az összes többi, zajként működő frekvenciát. A CRPH módszer egy lépéssel tovább megy, és nem csak a kívánt frekvenciát, hanem az oszcilláló mágneses tér fázisát is kiválasztja a szinkron érzékelésnek nevezett módszerrel. Az oszcilláló Hall mérés ezen koncepciója régóta ismert, de az elektromágneses tekercsek rendszerének hagyományos módszere oszcilláló mágneses tér létrehozására nem volt hatékony.
Korábbi felfedezés
Ahogy az a tudományban gyakran megtörténik, az egyik területen elért előrehaladást a másik területen tett felfedezések vezérlik. 2015-ben az IBM Research egy korábban ismeretlen jelenségről számolt be a fizikában, amely egy új mágneses tér behatárolási effektushoz kapcsolódik, az úgynevezett „tevepúp” effektushoz, amely a keresztirányú dipólusok két vonala között jelentkezik, amikor azok meghaladják a kritikus hosszt, ahogy az a 2a. ábrán látható. Az effektus kulcsfontosságú tulajdonság, amely lehetővé teszi az új típusú természetes mágneses csapdát, az úgynevezett párhuzamos dipólusú csapdát (PDL trap), amint az a 2b. ábrán látható. A mágneses PDL csapda új platformként használható különféle érzékelési alkalmazásokhoz, például dőlésmérőhöz, szeizmométerhez (földrengésérzékelő). Az ilyen új szenzorrendszerek a big data technológiákkal párosulva számos új alkalmazást nyithatnak meg, és az IBM Research csapata vizsgálja az IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) nevű nagyadat-elemző platformot, amely rengeteg térinformatikai adatot tartalmaz. és az Internet of Things adatok (IoT).
Meglepő módon ugyanannak a PDL elemnek van egy másik egyedi alkalmazása is. Elforgatva ideális Photo-Hall kísérleti rendszerként szolgál a mágneses tér egyirányú és tiszta harmonikus rezgésének eléréséhez (2c. ábra). Ennél is fontosabb, hogy a rendszer elegendő helyet biztosít a minta széles területének megvilágításához, ami kritikus fontosságú a Photo-Hall kísérletekben.
Hatás
Az általunk kifejlesztett új fotócsarnok módszerrel elképesztő mennyiségű információt nyerhetünk ki a félvezetőkből. Ellentétben a klasszikus Hall mérés során kapott három paraméterrel, ez az új módszer minden vizsgált fényintenzitásnál hét paramétert ad. Ez magában foglalja mind az elektronok, mind a lyukak mobilitását; hordozójuk koncentrációja fény hatására; rekombinációs élettartam; és diffúziós hossz elektronok, lyukak és ambipoláris típusok esetén. Mindez N-szer megismételhető (vagyis a kísérletben használt fényintenzitás-paraméterek száma).
Ez az új felfedezés és technológia elősegíti a félvezetők fejlesztését mind a meglévő, mind a kialakulóban lévő technológiákban. Ma már rendelkezünk a félvezető anyagok fizikai jellemzőinek részletes kivonásához szükséges ismeretekkel és eszközökkel. Például segít felgyorsítani a következő generációs félvezető-technológia fejlesztését, mint például a jobb napelemek, a jobb optoelektronikai eszközök, valamint a mesterséges intelligencia technológiákhoz használt új anyagok és eszközök.
A cikk 7. október 2019-én jelent meg .
Fordítás: Nikolay Marin (), az IBM technológiai igazgatója Oroszországban és a FÁK-országokban.
Forrás: will.com