Að afhjúpa 140 ára gamalt leyndarmál í eðlisfræði

Þýðing á grein eftir höfunda frá IBM Research.

Mikilvæg bylting í eðlisfræði mun gera okkur kleift að rannsaka eðliseiginleika hálfleiðara í mun meiri smáatriðum. Þetta gæti hjálpað til við að flýta fyrir þróun næstu kynslóðar hálfleiðaratækni.

Höfundar:
Allt í lagi Gunawan — Starfsmaður hjá IBM Research
Doug Bishop - Einkennisverkfræðingur, IBM Research

Hálfleiðarar eru grunnbyggingareiningar stafrænnar rafeindaaldar nútímans og veita okkur margs konar tæki sem nýtast nútímalífi okkar, svo sem tölvur, snjallsímar og önnur farsímatæki. Endurbætur á virkni og afköstum hálfleiðara gera einnig kleift að nota næstu kynslóð hálfleiðara í tölvum, skynjun og orkubreytingum. Vísindamenn hafa lengi átt í erfiðleikum með að sigrast á takmörkunum á getu okkar til að skilja að fullu rafrænar hleðslur í hálfleiðaratækjum og háþróuðum hálfleiðurum sem halda aftur af getu okkar til að halda áfram.

Í nýrri rannsókn í tímaritinu Nature Rannsóknarsamstarf undir forystu IBM Research lýsir spennandi bylting í að leysa 140 ára gamla ráðgátu í eðlisfræði, sem gerir okkur kleift að rannsaka eðliseiginleika hálfleiðara í mun meiri smáatriðum og gera þróun nýrra og endurbættra hálfleiðaraefna kleift.

Til að skilja eðlisfræði hálfleiðara í raun og veru, verðum við fyrst að skilja grundvallareiginleika hleðslubera innan efna, hvort sem þeir eru neikvæðar eða jákvæðar agnir, hraða þeirra í beitt rafsviði og hversu þétt þeim er pakkað inn í efnið. Eðlisfræðingur Edwin Hall fann leið til að ákvarða þessa eiginleika árið 1879 þegar hann uppgötvaði að segulsvið mun sveigja hreyfingu rafeindahleðslna innan leiðara og að hægt sé að mæla sveigjumagnið sem möguleikamuninn hornrétt á stefnuflæði hlaðins. agnir, eins og sýnt er á mynd 1a. Þessi spenna, þekkt sem Hall spennan, sýnir verulegar upplýsingar um hleðsluberana í hálfleiðaranum, þar á meðal hvort þeir eru neikvæðar rafeindir eða jákvæðar hálfagnir sem kallast „göt“, hversu hratt þær hreyfast í rafsviði eða „hreyfanleika“ þeirra (µ ), og styrkur þeirra (n) inni í hálfleiðaranum.

140 ára gömul ráðgáta

Áratugum eftir uppgötvun Hall uppgötvuðu vísindamenn einnig að þeir gætu gert mælingar á Hall áhrifum með ljósi — tilraunir sem kallast photo-Hall, sjá mynd 1b. Í slíkum tilraunum myndar ljóslýsing mörg burðarefni, eða rafeindaholapör, í hálfleiðurum. Því miður hefur skilningur okkar á grunnáhrifum Halls veitt aðeins innsýn í meirihluta (eða meirihluta) flutningsaðila. Rannsakendur gátu ekki dregið færibreytur úr báðum miðlum (stór og ekki stór) samtímis. Slíkar upplýsingar eru lykilatriði í mörgum ljósatengdum forritum, svo sem sólarrafhlöðum og öðrum sjónrænum tækjum.

Rannsókn IBM Research tímaritsins Nature afhjúpar eitt af löngu geymdu leyndarmálum Hall-áhrifanna. Vísindamenn frá Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University og IBM hafa uppgötvað nýja formúlu og tækni sem gerir okkur kleift að draga út upplýsingar um grunn og óundirstöðu. burðarefni, svo sem einbeitingu þeirra og hreyfigetu, auk þess að afla viðbótarupplýsinga um líftíma burðarberans, lengd dreifingar og endurröðunarferlið.

Nánar tiltekið, í ljósmynd-Hall tilraun, stuðla báðir burðarberarnir að breytingum á leiðni (σ) og Hall stuðli (H, í réttu hlutfalli við hlutfall Hall spennu og segulsviðs). Lykilinnsýn kemur frá því að mæla leiðni og Hall-stuðul sem fall af ljósstyrk. Falinn í formi leiðni-Hall stuðullferilsins (σ-H) sýnir í grundvallaratriðum nýjar upplýsingar: muninn á hreyfanleika beggja burðarefna. Eins og fjallað er um í greininni er hægt að tjá þetta samband á glæsilegan hátt:

$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$

Byrjað er á þekktum meirihluta burðarþéttleika frá hefðbundinni Hall mælingu í myrkri, við getum sýnt bæði meirihluta og minnihluta burðargetu hreyfanleika og þéttleika sem fall af ljósstyrk. Teymið nefndi nýju mæliaðferðina: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Með þekktum styrkleika ljóss er hægt að ákvarða líftíma burðarbúnaðarins á svipaðan hátt. Þessi tenging og lausnir hennar hafa verið huldar í næstum eina og hálfa öld frá því Hall-áhrifin fundust.

Fyrir utan framfarir í þessum fræðilega skilningi eru framfarir í tilraunaaðferðum einnig mikilvægar til að gera þessa nýju aðferð kleift. Aðferðin krefst hreinnar mælingar á Hall merkinu, sem getur verið erfitt fyrir efni þar sem Hall merkið er veikt (til dæmis vegna lítillar hreyfigetu) eða þegar óæskileg merki eru til staðar, eins og með sterka ljósgeislun. Til að gera þetta er nauðsynlegt að framkvæma Hall mælingu með því að nota sveiflu segulsvið. Rétt eins og þegar þú hlustar á útvarp þarftu að velja tíðni stöðvarinnar sem óskað er eftir og farga öllum öðrum tíðnum sem virka sem hávaði. CRPH aðferðin gengur einu skrefi lengra og velur ekki aðeins æskilega tíðni heldur einnig fasa sveiflu segulsviðsins með aðferð sem kallast samstillt skynjun. Þessi hugmynd um sveiflumælingar á Halli hefur lengi verið þekkt, en hefðbundin aðferð við að nota rafsegulspólakerfi til að mynda sveiflu segulsvið var árangurslaus.

Fyrri uppgötvun

Eins og oft gerist í vísindum eru framfarir á einu sviði knúin áfram af uppgötvunum á öðru. Árið 2015 greindi IBM Research frá áður óþekkt fyrirbæri í eðlisfræði sem tengist nýjum segulsviðslokunaráhrifum sem kallast „úlfaldahnúfa“, sem eiga sér stað á milli tveggja lína þverpóla þegar þær fara yfir mikilvæga lengd, eins og sýnt er á mynd 2a. Áhrifin eru lykileiginleiki sem gerir nýja tegund náttúrulegrar segulgildra kleift sem kallast samhliða tvípólslínugildra (PDL-gildra), eins og sýnt er á mynd 2b. Magnetic PDL gildra er hægt að nota sem nýjan vettvang fyrir margs konar skynjunarnotkun eins og hallamæli, jarðskjálftamæli (jarðskjálftaskynjara). Slík ný skynjarakerfi, ásamt stórgagnatækni, gætu opnað mörg ný forrit, og er verið að kanna þau af IBM rannsóknarteyminu sem þróar stóran gagnagreiningarvettvang sem kallast IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), sem inniheldur mikið landrýmis. og Internet of Things gögn (IoT).

Það kemur á óvart að sama PDL þátturinn hefur annað einstakt forrit. Þegar það er snúið, þjónar það sem tilvalið ljósmynd-Hall tilraunakerfi til að fá einstefnu og hreina harmóníska sveiflu segulsviðsins (Mynd 2c). Meira um vert, kerfið veitir nóg pláss til að leyfa lýsingu á breitt svæði sýnisins, sem er mikilvægt í photo-Hall tilraunum.

Áhrif

Nýja photo-hall aðferðin sem við höfum þróað gerir okkur kleift að vinna ótrúlega mikið af upplýsingum úr hálfleiðurum. Öfugt við aðeins þrjár breytur sem fengust í klassísku Hall-mælingunni, gefur þessi nýja aðferð allt að sjö breytur við hverja ljósstyrk sem prófuð var. Þetta felur í sér hreyfanleika bæði rafeinda og hola; styrkur burðarefnis þeirra undir áhrifum ljóss; endingartími endurröðunar; og dreifingarlengd fyrir rafeindir, holur og tvískauta gerðir. Allt þetta er hægt að endurtaka N sinnum (þ.e. fjöldi ljósstyrkstærða sem notaðar eru í tilrauninni).

Þessi nýja uppgötvun og tækni mun hjálpa til við að efla framfarir hálfleiðara í bæði núverandi og nýrri tækni. Við höfum nú þekkingu og verkfæri sem þarf til að draga út eðliseiginleika hálfleiðaraefna í smáatriðum. Til dæmis mun það hjálpa til við að flýta fyrir þróun næstu kynslóðar hálfleiðaratækni, svo sem betri sólarrafhlöður, betri ljósabúnað og ný efni og tæki fyrir gervigreindartækni.

Original grein birt 7. október 2019 í IBM Research blogg.
Þýðing: Nikolay Marin (NikolayMarin), tæknistjóri IBM í Rússlandi og CIS löndunum.

Heimild: www.habr.com