Traduzione dell'articolo degli autori di IBM Research.
Una importante svolta nella fisica consentirà di studiare le caratteristiche fisiche dei semiconduttori con molta più dettagliata. Questo potrebbe 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 i blocchi fondamentali dell'odierno era digitale ed elettronica, fornendo una varietà di dispositivi che apportano benefici alla nostra vita moderna, come computer, smartphone e altri dispositivi mobili. I miglioramenti nella funzionalità e nelle prestazioni dei semiconduttori consentono anche applicazioni di prossima generazione per elaborazione, riconoscimento e conversione dell'energia. Da tempo i ricercatori cercano di superare i limiti della nostra capacità di comprendere completamente le cariche elettriche all'interno dei dispositivi semiconduttori e dei materiali semiconduttori avanzati, che ostacolano la nostra possibilità di progredire ulteriormente.
In una nuova ricerca pubblicata su La ricerca congiunta guidata da IBM Research descrive una straordinaria svolta nella rivelazione di un mistero di 140 anni della fisica, che ci permetterà di esplorare le caratteristiche fisiche dei semiconduttori in modo molto più dettagliato e di favorire lo sviluppo di nuovi materiali semiconduttori avanzati.
Per comprendere realmente la fisica dei semiconduttori, dobbiamo prima esplorare 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 quanto siano densamente impacchettati nel materiale. Il fisico Edwin Hall scoprì 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 questa deviazione può essere misurata come una differenza di potenziale perpendicolare al flusso diretto delle particelle cariche, come mostrato nella figura Figure 1a. Questa tensione, conosciuta come tensione di Hall, offre informazioni significative sui portatori di carica nel semiconduttore, incluso se sono elettroni negativi o quasicorpi positivi chiamati “lacune”, la loro velocità nel campo elettrico, o la loro “mobilità” (µ), e la loro concentrazione (n) all'interno del semiconduttore.
Un mistero di 140 anni
Decenni dopo la scoperta dell'effetto Hall, i ricercatori hanno anche trovato la possibilità di effettuare misurazioni dell'effetto Hall utilizzando la luce — esperimenti noti come foto-Hall, vedi figura Figure 1b. In tali esperimenti, l'illuminazione induce la generazione di molteplici portatori o coppie elettrone-buco nei semiconduttori. Sfortunatamente, la nostra comprensione dell'effetto Hall fondamentale ha fornito solo nozioni sui principali portatori di carica (o portatori dominanti). I ricercatori non sono stati in grado di estrarre simultaneamente i parametri di entrambi i portatori (principale e secondario). Tali informazioni sono cruciali per molte applicazioni relative alla luce, come i pannelli solari e altri dispositivi optoelettronici.
Ricerca di IBM Research pubblicata su 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), dell'Università di Duke e di IBM hanno scoperto una nuova formula e una tecnica che ci permettono di estrarre simultaneamente informazioni sul portatore principale e secondario, come la loro concentrazione e mobilità, oltre a fornire ulteriori dettagli sulla durata di vita del portatore, sulla lunghezza di diffusione e sul processo di ricombinazione.
In particolare, nell'esperimento del foto-Hall, entrambi i portatori contribuiscono ai cambiamenti nella conducibilità (σ) e nel coefficiente di Hall (H, proporzionale al rapporto tra la tensione di Hall e il campo magnetico). La comprensione chiave deriva dalla misurazione della conducibilità e del coefficiente di Hall come funzione dell'intensità della luce. Nascosto nella forma della curva conducibilità-coefficiente di Hall (σ-H) c'è un'informazione sostanzialmente nuova: la differenza nella mobilità dei due portatori. Come discusso nell'articolo, questa relazione può essere espressa in modo elegante:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Partendo dalla densità nota dei portatori dalla maggior parte delle tradizionali misurazioni di Hall al buio, possiamo rivelare sia la mobilità sia la densità dei portatori come funzione dell'intensità della luce. Il team ha denominato il nuovo metodo di misura: foto-Hall risolto per portatore (Carrier-Resolved Photo Hall, CRPH). Con l'intensità della luce nota, la vita media del portatore può essere stabilita in modo simile. Questa relazione e le relative soluzioni sono rimaste celate per quasi un secolo e mezzo, sin dalla scoperta dell'effetto Hall.
Oltre ai successi nella comprensione teorica, i risultati nelle metodologie sperimentali sono fondamentali per garantire questo nuovo approccio. Il metodo richiede una misura del segnale di Hall pura, che può essere difficile per materiali in cui il segnale di Hall è debole (ad esempio, a causa della bassa mobilità) o quando ci sono segnali indesiderati, come sotto un forte irraggiamento luminoso. Per questo, è necessario effettuare una misura di Hall utilizzando un campo magnetico oscillante. Proprio come per sintonizzarsi su una stazione radio, è essenziale selezionare la frequenza desiderata, scartando tutte le altre frequenze che funzionano come rumore. Il metodo CRPH fa un passo avanti, selezionando non solo la frequenza desiderata, ma anche la fase del campo magnetico oscillante attraverso un metodo chiamato definizione sincronizzata. Questa concezione della misura di Hall oscillante era già da tempo nota, ma il metodo tradizionale, che utilizza un sistema di bobine elettromagnetiche per generare un campo magnetico oscillante, si è rivelato inefficace.
Scoperta precedente
Spesso nella scienza, i progressi in un campo sono causati da scoperte in un altro. Nel 2015, IBM Research ha riportato un fenomeno sconosciuto in fisica, legato a un nuovo effetto di intrappolamento del campo magnetico, chiamato effetto "gobbo del 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 offre un nuovo tipo di trappola magnetica naturale, chiamata trappola a dipolo parallelo (parallel dipole line trap, PDL trap), come illustrato nella figura 2b. La trappola PDL magnetica può essere utilizzata come la più recente piattaforma per diverse applicazioni sensoriali, come un inclinometro e un sismometro (sensore per terremoti). Questi nuovi sistemi di sensori, insieme alle tecnologie dei big data, possono aprire a molte nuove applicazioni e sono oggetto di studio da parte del team di IBM Research, che sta sviluppando una piattaforma di analisi dei big data chiamata IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), che contiene una vasta gamma di dati geospaziali e dati dell'Internet delle cose (IoT).
Incredibilmente, lo stesso elemento PDL ha anche un'altra applicazione unica. Quando è in rotazione, funge da sistema ideale per l'esperimento Hall fotoelettrico, creando un'oscillazione magnetica armoniosa e unidirezionale (vedi figura 2c). È importante notare che il sistema offre spazio sufficiente per illuminare un'ampia area del campione, un aspetto critico negli esperimenti Hall.
Impatto
Il nuovo metodo sviluppato per il Hall fotoelettrico ci consente di estrarre un sorprendente volume di informazioni dai semiconduttori. A differenza dei soli tre parametri ottenuti nelle misurazioni Hall classiche, questo nuovo approccio porta fino a sette parametri per ciascuna delle intensità luminose testate. Questo include la mobilità sia degli elettroni che delle lacune; la concentrazione dei portatori sotto l'illuminazione; il tempo di vita della ricombinazione; e la lunghezza di diffusione per elettroni, lacune e tipo ambipolare. Tutto ciò può essere ripetuto N volte (cioè il numero di parametri di intensità della luce utilizzati nell'esperimento).
Questa nuova scoperta e tecnologia contribuiranno a far avanzare i progressi nei semiconduttori sia nelle tecnologie esistenti che in quelle emergenti. Abbiamo ora conoscenze e strumenti necessari per estrarre le caratteristiche fisiche dei materiali semiconduttori con grande dettaglio. Ad esempio, ciò aiuterà ad accelerare lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di nuova generazione, come i migliori pannelli solari, i dispositivi optoelettronici avanzati e nuovi materiali e dispositivi per le tecnologie dell'intelligenza artificiale.
articolo pubblicato il 7 ottobre 2019 in .
Traduzione: Nikolai Marin (), Chief Technology Officer IBM in Russia e nei paesi della CSI.
Fonte: habr.com
