Traduzione di un articolo di autori di IBM Research.
Un importante passo avanti nel campo della fisica ci permetterà di studiare le caratteristiche fisiche dei semiconduttori in modo molto più dettagliato. Ciò potrebbe contribuire ad accelerare lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di prossima generazione.
Autori:
— Membro dello staff, IBM Research
Doug Bishop - Ingegnere di caratterizzazione, IBM Research
I semiconduttori sono gli elementi costitutivi fondamentali dell'odierna era dell'elettronica digitale e ci forniscono una varietà di dispositivi a beneficio della nostra vita moderna, come computer, smartphone e altri dispositivi mobili. I miglioramenti nella funzionalità e nelle prestazioni dei semiconduttori stanno inoltre consentendo applicazioni di semiconduttori di prossima generazione nel campo dell'informatica, del rilevamento e della conversione dell'energia. I ricercatori hanno lottato a lungo per superare i limiti nella nostra capacità di comprendere appieno le cariche elettroniche all’interno dei dispositivi semiconduttori e dei materiali semiconduttori avanzati che stanno frenando la nostra capacità di andare avanti.
In un nuovo studio sulla rivista Una collaborazione di ricerca guidata da IBM Research descrive un’entusiasmante svolta nella risoluzione di un mistero della fisica vecchio di 140 anni, che ci consentirà di studiare le caratteristiche fisiche dei semiconduttori in modo molto più dettagliato e di consentire lo sviluppo di materiali semiconduttori nuovi e migliorati.
Per comprendere veramente la fisica dei semiconduttori, dobbiamo prima comprendere le proprietà fondamentali dei portatori di carica all'interno dei materiali, siano essi particelle negative o positive, la loro velocità in un campo elettrico applicato e la densità con cui sono compattati all'interno del materiale. Il fisico Edwin Hall trovò un modo per determinare queste proprietà nel 1879 quando scoprì che un campo magnetico devia il movimento delle cariche elettroniche all'interno di un conduttore e che l'entità della deflessione può essere misurata come differenza di potenziale perpendicolare al flusso direzionale di cariche cariche. particelle, come mostrato nella Figura 1a. Questa tensione, nota come tensione di Hall, rivela informazioni significative sui portatori di carica nel semiconduttore, incluso se si tratta di elettroni negativi o quasiparticelle positive chiamate "buchi", quanto velocemente si muovono in un campo elettrico o la loro "mobilità" (μ ) e la loro concentrazione (n) all'interno del semiconduttore.
Mistero vecchio di 140 anni
Decenni dopo la scoperta di Hall, i ricercatori scoprirono anche che potevano effettuare misurazioni dell'effetto Hall con esperimenti di luce chiamati foto-Hall, vedere Figura 1b. In tali esperimenti, l'illuminazione genera più portatori, o coppie elettrone-lacuna, nei semiconduttori. Sfortunatamente, la nostra comprensione dell’effetto Hall di base ha fornito informazioni solo sulla maggioranza (o maggioranza) dei portatori di carica. I ricercatori non sono stati in grado di estrarre i parametri da entrambi i media (maggiore e non maggiore) contemporaneamente. Tali informazioni sono fondamentali per molte applicazioni legate alla luce, come i pannelli solari e altri dispositivi optoelettronici.
Studio della rivista IBM Research rivela uno dei segreti a lungo custoditi dell'effetto Hall. I ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), del Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), della Duke University e dell'IBM hanno scoperto una nuova formula e tecnica che ci consente di estrarre simultaneamente informazioni sugli elementi di base e non di base portatori, come la loro concentrazione e mobilità, oltre a ottenere informazioni aggiuntive sulla durata del portatore, sulla lunghezza di diffusione e sul processo di ricombinazione.
Più specificamente, in un esperimento foto-Hall, entrambi i portatori contribuiscono a cambiamenti nella conduttività (σ) e nel coefficiente di Hall (H, proporzionale al rapporto tra la tensione di Hall e il campo magnetico). Le informazioni chiave provengono dalla misurazione della conduttività e del coefficiente Hall in funzione dell’intensità della luce. Nascosto nella forma della curva del coefficiente di conduttività-Hall (σ-H) mostra un'informazione fondamentalmente nuova: la differenza nella mobilità di entrambi i portatori. Come discusso nell'articolo, questa relazione può essere espressa in modo elegante:
$$visualizza$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$visualizza$$
Partendo da una densità nota dei portatori maggioritari ricavata da una misurazione Hall tradizionale al buio, possiamo rivelare la mobilità e la densità sia dei portatori maggioritari che di quelli minoritari in funzione dell'intensità della luce. Il team ha chiamato il nuovo metodo di misurazione: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Con un'intensità nota dell'illuminazione luminosa, la durata del supporto può essere stabilita in modo simile. Questa connessione e le sue soluzioni sono rimaste nascoste per quasi un secolo e mezzo dalla scoperta dell’effetto Hall.
Oltre ai progressi in questa comprensione teorica, anche i progressi nei metodi sperimentali sono fondamentali per abilitare questo nuovo metodo. Il metodo richiede una misurazione pura del segnale Hall, che può essere difficile per i materiali in cui il segnale Hall è debole (ad esempio a causa della bassa mobilità) o quando sono presenti ulteriori segnali indesiderati, come in caso di forte irradiazione luminosa. Per fare ciò è necessario effettuare una misura di Hall utilizzando un campo magnetico oscillante. Proprio come quando si ascolta la radio, è necessario selezionare la frequenza della stazione desiderata, scartando tutte le altre frequenze che fungono da rumore. Il metodo CRPH fa un ulteriore passo avanti e seleziona non solo la frequenza desiderata ma anche la fase del campo magnetico oscillante utilizzando un metodo chiamato rilevamento sincrono. Questo concetto di misurazione Hall oscillante è noto da tempo, ma il metodo tradizionale di utilizzare un sistema di bobine elettromagnetiche per generare un campo magnetico oscillante era inefficace.
Scoperta precedente
Come spesso accade nella scienza, i progressi in un settore sono guidati dalle scoperte in un altro. Nel 2015, IBM Research ha segnalato un fenomeno precedentemente sconosciuto in fisica associato a un nuovo effetto di confinamento del campo magnetico chiamato effetto “gobba di cammello”, che si verifica tra due linee di dipoli trasversali quando superano una lunghezza critica, come mostrato nella Figura 2a. L'effetto è una caratteristica chiave che consente un nuovo tipo di trappola magnetica naturale chiamata trappola a linea di dipolo parallelo (trappola PDL), come mostrato nella Figura 2b. La trappola magnetica PDL può essere utilizzata come nuova piattaforma per una varietà di applicazioni di rilevamento come tiltmetro, sismometro (sensore sismico). Tali nuovi sistemi di sensori, abbinati alle tecnologie dei big data, potrebbero aprire molte nuove applicazioni e vengono esplorati dal team di ricerca IBM che sta sviluppando una piattaforma di analisi dei big data chiamata IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), che contiene una vasta gamma di informazioni geospaziali e dati dell'Internet delle cose (IoT).
Sorprendentemente, lo stesso elemento PDL ha un'altra applicazione unica. Quando ruotato, funge da sistema ideale per esperimenti di Photo-Hall per ottenere un'oscillazione armonica unidirezionale e pura del campo magnetico (Figura 2c). Ancora più importante, il sistema fornisce spazio sufficiente per consentire l’illuminazione di un’ampia area del campione, che è fondamentale negli esperimenti Photo-Hall.
Urto
Il nuovo metodo Photohall che abbiamo sviluppato ci consente di estrarre una quantità incredibile di informazioni dai semiconduttori. A differenza dei soli tre parametri ottenuti nella misurazione Hall classica, questo nuovo metodo fornisce fino a sette parametri per ciascuna delle intensità luminose testate. Ciò include la mobilità sia degli elettroni che delle lacune; la concentrazione del loro portatore sotto l'influenza della luce; durata della ricombinazione; e lunghezza di diffusione per elettroni, lacune e tipi ambipolari. Tutto questo può essere ripetuto N volte (ovvero il numero di parametri di intensità luminosa utilizzati nell'esperimento).
Questa nuova scoperta e tecnologia contribuiranno a far progredire i progressi dei semiconduttori sia nelle tecnologie esistenti che in quelle emergenti. Ora disponiamo delle conoscenze e degli strumenti necessari per estrarre in modo molto dettagliato le caratteristiche fisiche dei materiali semiconduttori. Ad esempio, contribuirà ad accelerare lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di prossima generazione, come pannelli solari migliori, dispositivi optoelettronici migliori e nuovi materiali e dispositivi per le tecnologie di intelligenza artificiale.
articolo pubblicato il 7 ottobre 2019 in .
Traduzione: Nicola Marino (), Chief Technology Officer IBM in Russia e nei paesi della CSI.
Fonte: habr.com