IBM Researchの著者による記事の翻訳。
物理学における重要な進歩により、半導体の物理的特性をより詳細に研究できるようになります。これは、次世代の半導体技術の開発を加速するのに役立つ可能性があります。
著者：
— IBM Research スタッフ メンバー
Doug Bishop - IBM Research、特性評価エンジニア
半導体は今日のデジタル電子時代の基本的な構成要素であり、コンピューター、スマートフォン、その他のモバイル機器など、現代の生活に役立つさまざまな機器を提供しています。半導体の機能と性能の向上により、コンピューティング、センシング、エネルギー変換における次世代半導体アプリケーションも可能になります。研究者たちは、私たちの進歩の妨げとなっている、半導体デバイス内の電荷や先端半導体材料を完全に理解する能力の限界を克服するために長い間苦労してきました。
雑誌に掲載された新しい研究で IBM Researchが主導する共同研究では、物理学における140年来の謎を解く画期的な画期的な成果が報告されており、これにより半導体の物理的特性をより詳細に研究できるようになり、新しく改良された半導体材料の開発が可能になるという。
半導体の物理学を真に理解するには、まず材料内の電荷キャリアの基本特性、それらが負の粒子か正の粒子か、印加された電場における電荷キャリアの速度、材料内での電荷キャリアの密度を理解する必要があります。物理学者のエドウィン ホールは 1879 年に、磁場が導体内の電子電荷の動きを偏向させ、その偏向量が電荷の流れの方向に垂直な電位差として測定できることを発見し、これらの特性を決定する方法を発見しました。図 1a に示すような粒子。ホール電圧として知られるこの電圧は、半導体内の電荷キャリアに関する重要な情報を明らかにします。これには、電荷キャリアが負の電子であるか「ホール」と呼ばれる正の準粒子であるか、電界中での移動速度、またはその「移動度」(μ) が含まれます。 ) 、および半導体内のそれらの濃度 (n)。
140年にわたる謎
ホールの発見から数十年後、研究者たちは光を使ってホール効果を測定できることも発見しました。これはフォトホールと呼ばれる実験です。図 1b を参照してください。このような実験では、光照射により半導体内に複数のキャリア、つまり電子と正孔のペアが生成されます。残念ながら、基本的なホール効果に関する私たちの理解では、大部分 (または大部分) の電荷キャリアについてのみ洞察が得られています。研究者らは、両方のメディア (メジャーと非メジャー) から同時にパラメータを抽出することができませんでした。このような情報は、ソーラー パネルやその他の光電子デバイスなど、多くの光関連アプリケーションにとって重要です。
IBM Research誌の調査 ホール効果の長い間隠されてきた秘密の 1 つが明らかになります。韓国科学技術研究院(KAIST)、韓国化学技術研究院(KRICT)、デューク大学、IBMの研究者らは、基礎物質と非塩基性物質に関する情報を同時に抽出できる新しい公式と技術を発見した。キャリアの濃度や移動度など、キャリアの寿命、拡散長、再結合プロセスに関する追加情報も得られます。
より具体的には、フォトホール実験では、両方のキャリアが伝導率 (σ) とホール係数 (H、磁場に対するホール電圧の比に比例) の変化に寄与します。重要な洞察は、光強度の関数としての導電率とホール係数の測定から得られます。導電率-ホール係数曲線 (σ-H) の形状に隠されているものは、根本的に新しい情報、つまり両方のキャリアの移動度の違いを示しています。記事で説明したように、この関係は次のようにエレガントに表現できます。
$$display$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$display$$
暗闇での従来のホール測定による既知の多数キャリア密度から始めて、多数キャリアと少数キャリアの両方の移動度および密度を光強度の関数として明らかにすることができます。研究チームはこの新しい測定方法を「キャリア分解フォトホール（CRPH）」と名付けました。光照射の強度が既知であれば、同様の方法でキャリアの寿命を決定できます。この関係とその解決策は、ホール効果の発見以来、ほぼ 1 世紀半にわたって隠されてきました。
この理論的理解の進歩とは別に、この新しい方法を可能にするためには実験方法の進歩も重要です。この方法では、ホール信号の純粋な測定が必要ですが、ホール信号が弱い材料（移動度が低いなど）や、強い光照射のように不要な信号がさらに存在する場合には、測定が困難になる可能性があります。これを行うには、振動磁場を使用してホール測定を実行する必要があります。ラジオを聴くときと同じように、ノイズとして機能する他の周波数をすべて無視して、目的の放送局の周波数を選択する必要があります。 CRPH 方式はさらに一歩進んで、同期センシングと呼ばれる方式を使用して、必要な周波数だけでなく振動磁場の位相も選択します。この振動ホール測定の概念は古くから知られていましたが、電磁コイルのシステムを使用して振動磁場を生成する従来の方法は効果的ではありませんでした。
前回の発見
科学ではよくあることですが、ある分野の進歩は別の分野の発見によって促進されます。 2015年、IBM Researchは、図2aに示すように、「ラクダのこぶ」効果と呼ばれる新しい磁場閉じ込め効果に関連するこれまで知られていなかった物理学現象を報告しました。この現象は、横双極子の2本のラインが臨界長を超えるとそれらの間で発生します。この効果は、図 XNUMXb に示すように、平行双極子線トラップ (PDL トラップ) と呼ばれる新しいタイプの自然磁気トラップを可能にする重要な機能です。磁気 PDL トラップは、傾斜計、地震計 (地震センサー) などのさまざまなセンシング アプリケーションの新しいプラットフォームとして使用できます。このような新しいセンサー システムは、ビッグ データ テクノロジと組み合わせることで、多くの新しいアプリケーションを開く可能性があり、IBM 研究チームによって研究されており、IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) と呼ばれるビッグ データ分析プラットフォームを開発しています。モノのインターネット (IoT) データ。
驚くべきことに、同じ PDL 要素には別のユニークな用途があります。回転すると、磁場の単一方向の純粋な調和振動を得る理想的なフォトホール実験システムとして機能します (図 2c)。さらに重要なことは、このシステムはサンプルの広い領域を照明できる十分なスペースを提供することです。これはフォトホール実験で重要です。
衝撃
私たちが開発した新しいフォトホール方式により、半導体から驚くべき量の情報を取り出すことができます。従来のホール測定では 3 つのパラメータしか得られなかったのに対し、この新しい方法では、テストした各光強度で最大 7 つのパラメータが得られます。これには、電子と正孔の両方の移動度が含まれます。光の影響下でのキャリアの濃度。再結合寿命。電子、正孔、両極性タイプの拡散長。これはすべて N 回 (つまり、実験で使用される光強度パラメーターの数) 繰り返すことができます。
この新しい発見と技術は、既存技術と新興技術の両方で半導体の進歩を促進するのに役立ちます。私たちは現在、半導体材料の物理的特性を詳細に抽出するために必要な知識とツールを手に入れています。たとえば、より優れたソーラーパネル、より優れた光電子デバイス、人工知能技術用の新しい材料やデバイスなど、次世代の半導体技術の開発を加速するのに役立ちます。
7 年 2019 月 XNUMX 日に掲載された記事 .
翻訳： ニコライ・マリン (）、ロシアおよびCIS諸国のIBM最高技術責任者。
出所： habr.com