Terjemahan artikel oleh penulis dari IBM Research.
Sebuah terobosan penting dalam fisika akan memungkinkan kita mempelajari karakteristik fisik semikonduktor secara lebih rinci. Hal ini dapat membantu mempercepat pengembangan teknologi semikonduktor generasi berikutnya.
Penulis:
— Anggota Staf, Riset IBM
Doug Bishop - Insinyur Karakterisasi, IBM Research
Semikonduktor adalah bahan dasar era elektronik digital saat ini, yang menyediakan berbagai perangkat yang bermanfaat bagi kehidupan modern kita, seperti komputer, ponsel pintar, dan perangkat seluler lainnya. Peningkatan fungsionalitas dan kinerja semikonduktor juga memungkinkan aplikasi semikonduktor generasi berikutnya dalam komputasi, penginderaan, dan konversi energi. Para peneliti telah lama berjuang untuk mengatasi keterbatasan kemampuan kita untuk memahami sepenuhnya muatan elektronik di dalam perangkat semikonduktor dan bahan semikonduktor canggih yang menghambat kemampuan kita untuk bergerak maju.
Dalam sebuah studi baru di jurnal Kolaborasi penelitian yang dipimpin oleh IBM Research menggambarkan terobosan menarik dalam memecahkan misteri fisika berusia 140 tahun, yang memungkinkan kita mempelajari karakteristik fisik semikonduktor secara lebih rinci dan memungkinkan pengembangan bahan semikonduktor yang baru dan lebih baik.
Untuk benar-benar memahami fisika semikonduktor, pertama-tama kita harus memahami sifat dasar pembawa muatan dalam material, apakah itu partikel negatif atau positif, kecepatannya dalam medan listrik yang diterapkan, dan seberapa padat muatannya di dalam material. Fisikawan Edwin Hall menemukan cara untuk menentukan sifat-sifat ini pada tahun 1879 ketika ia menemukan bahwa medan magnet akan membelokkan pergerakan muatan elektron dalam suatu konduktor, dan besarnya defleksi dapat diukur sebagai beda potensial yang tegak lurus terhadap arah aliran muatan. partikel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Tegangan ini, yang dikenal sebagai tegangan Hall, mengungkapkan informasi penting tentang pembawa muatan dalam semikonduktor, termasuk apakah mereka merupakan elektron negatif atau kuasipartikel positif yang disebut “lubang”, seberapa cepat mereka bergerak dalam medan listrik, atau “mobilitas” mereka (µ ) , dan konsentrasinya (n) di dalam semikonduktor.
Misteri berusia 140 tahun
Beberapa dekade setelah penemuan Hall, para peneliti juga menemukan bahwa mereka dapat melakukan pengukuran efek Hall dengan cahaya—eksperimen yang disebut photo-Hall, lihat Gambar 1b. Dalam eksperimen tersebut, penerangan cahaya menghasilkan banyak pembawa, atau pasangan lubang elektron, dalam semikonduktor. Sayangnya, pemahaman kita tentang efek Hall dasar hanya memberikan wawasan tentang mayoritas (atau mayoritas) pembawa biaya. Para peneliti tidak dapat mengekstraksi parameter dari kedua media (mayor dan non-mayor) secara bersamaan. Informasi tersebut merupakan kunci bagi banyak aplikasi yang berhubungan dengan cahaya, seperti panel surya dan perangkat optoelektronik lainnya.
Studi majalah IBM Research mengungkap salah satu rahasia efek Hall yang telah lama dirahasiakan. Para peneliti dari Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, dan IBM telah menemukan formula dan teknik baru yang memungkinkan kita secara bersamaan mengekstraksi informasi tentang bahan dasar dan non-dasar. pembawa, seperti konsentrasi dan mobilitasnya, serta memperoleh informasi tambahan tentang masa hidup pembawa, panjang difusi dan proses rekombinasi.
Lebih khusus lagi, dalam percobaan foto-Hall, kedua pembawa berkontribusi terhadap perubahan konduktivitas (σ) dan koefisien Hall (H, sebanding dengan rasio tegangan Hall terhadap medan magnet). Pengetahuan utama diperoleh dari pengukuran konduktivitas dan koefisien Hall sebagai fungsi intensitas cahaya. Tersembunyi dalam bentuk kurva koefisien konduktivitas-Hall (σ-H) menunjukkan informasi baru yang mendasar: perbedaan mobilitas kedua pembawa. Sebagaimana dibahas dalam artikel, hubungan ini dapat diungkapkan dengan elegan:
$$tampilan$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$tampilan$$
Dimulai dengan kepadatan pembawa mayoritas yang diketahui dari pengukuran Hall tradisional dalam gelap, kita dapat mengungkapkan mobilitas dan kepadatan pembawa mayoritas dan minoritas sebagai fungsi dari intensitas cahaya. Tim menamai metode pengukuran baru ini: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Dengan intensitas penerangan cahaya yang diketahui, masa hidup pembawa dapat ditentukan dengan cara yang sama. Hubungan ini dan solusinya telah tersembunyi selama hampir satu setengah abad sejak ditemukannya efek Hall.
Terlepas dari kemajuan dalam pemahaman teoritis, kemajuan dalam metode eksperimental juga penting untuk memungkinkan metode baru ini. Metode ini memerlukan pengukuran sinyal Hall yang murni, yang mungkin sulit dilakukan pada material yang sinyal Hallnya lemah (misalnya, karena mobilitas rendah) atau ketika terdapat sinyal tambahan yang tidak diinginkan, seperti pada iradiasi cahaya yang kuat. Untuk melakukan ini, perlu dilakukan pengukuran Hall menggunakan medan magnet yang berosilasi. Sama seperti saat mendengarkan radio, Anda perlu memilih frekuensi stasiun yang diinginkan, membuang semua frekuensi lain yang bertindak sebagai noise. Metode CRPH melangkah lebih jauh dan memilih tidak hanya frekuensi yang diinginkan tetapi juga fase medan magnet yang berosilasi menggunakan metode yang disebut penginderaan sinkron. Konsep pengukuran Hall berosilasi ini telah lama dikenal, namun metode tradisional yang menggunakan sistem kumparan elektromagnetik untuk menghasilkan medan magnet berosilasi tidak efektif.
Penemuan sebelumnya
Seperti yang sering terjadi dalam sains, kemajuan di suatu bidang didorong oleh penemuan di bidang lain. Pada tahun 2015, IBM Research melaporkan fenomena yang sebelumnya tidak diketahui dalam fisika terkait dengan efek pengekangan medan magnet baru yang disebut efek “punuk unta”, yang terjadi antara dua garis dipol melintang ketika melebihi panjang kritis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Efeknya adalah fitur utama yang memungkinkan jebakan magnet alami jenis baru yang disebut jebakan garis dipol paralel (perangkap PDL), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Perangkap PDL magnetik dapat digunakan sebagai platform baru untuk berbagai aplikasi penginderaan seperti tiltmeter, seismometer (sensor gempa). Sistem sensor baru tersebut, dipadukan dengan teknologi big data, dapat membuka banyak aplikasi baru, dan sedang dieksplorasi oleh tim IBM Research yang mengembangkan platform analisis big data yang disebut IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), yang berisi kekayaan geospasial. dan data Internet of Things (IoT).
Anehnya, elemen PDL yang sama memiliki penerapan unik lainnya. Ketika diputar, ini berfungsi sebagai sistem eksperimen Photo-Hall yang ideal untuk mendapatkan osilasi harmonik searah dan murni dari medan magnet (Gambar 2c). Lebih penting lagi, sistem ini menyediakan ruang yang cukup untuk memungkinkan penerangan pada area sampel yang luas, yang sangat penting dalam eksperimen Photo-Hall.
Dampak
Metode ruang foto baru yang kami kembangkan memungkinkan kami mengekstraksi sejumlah besar informasi dari semikonduktor. Berbeda dengan hanya tiga parameter yang diperoleh dalam pengukuran Hall klasik, metode baru ini menghasilkan hingga tujuh parameter pada setiap intensitas cahaya yang diuji. Hal ini mencakup mobilitas elektron dan hole; konsentrasi pembawanya di bawah pengaruh cahaya; seumur hidup rekombinasi; dan panjang difusi untuk elektron, lubang, dan tipe ambipolar. Semua ini dapat diulang sebanyak N kali (yaitu jumlah parameter intensitas cahaya yang digunakan dalam percobaan).
Penemuan dan teknologi baru ini akan membantu memajukan kemajuan semikonduktor baik dalam teknologi yang sudah ada maupun yang sedang berkembang. Kami sekarang memiliki pengetahuan dan alat yang diperlukan untuk mengekstraksi karakteristik fisik bahan semikonduktor dengan sangat rinci. Misalnya, hal ini akan membantu mempercepat pengembangan teknologi semikonduktor generasi mendatang, seperti panel surya yang lebih baik, perangkat optoelektronik yang lebih baik, serta material dan perangkat baru untuk teknologi kecerdasan buatan.
artikel diterbitkan pada 7 Oktober 2019 di .
Terjemahan: Nikolay Marin (), Chief Technology Officer IBM di Rusia dan negara-negara CIS.
Sumber: www.habr.com