140년 된 물리학의 비밀을 풀다

IBM Research의 저자가 쓴 기사 번역.

물리학의 중요한 혁신을 통해 우리는 반도체의 물리적 특성을 훨씬 더 자세히 연구할 수 있게 되었습니다. 이는 차세대 반도체 기술 개발을 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

저자 :
오키 구나완 — IBM 연구소 직원
Doug Bishop - IBM Research 특성화 엔지니어

반도체는 오늘날 디지털 전자 시대의 기본 구성 요소로서 컴퓨터, 스마트폰, 기타 모바일 장치 등 현대인의 삶에 도움이 되는 다양한 장치를 제공합니다. 반도체 기능 및 성능의 향상으로 컴퓨팅, 감지 및 에너지 변환 분야의 차세대 반도체 애플리케이션도 가능해졌습니다. 연구자들은 반도체 장치 내부의 전자 전하와 첨단 반도체 재료를 완전히 이해하는 능력의 한계를 극복하기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다.

저널의 새로운 연구에서 자연 IBM Research가 주도하는 연구 협력에서는 140년 된 물리학의 미스터리를 해결하는 흥미로운 돌파구를 설명합니다. 이를 통해 우리는 반도체의 물리적 특성을 훨씬 더 자세히 연구하고 새롭고 향상된 반도체 재료를 개발할 수 있습니다.

반도체의 물리학을 진정으로 이해하려면 먼저 물질 내 전하 운반체의 기본 특성, 그것이 음입자인지 양입자인지, 적용된 전기장에서의 속도, 물질 내에 얼마나 밀집되어 있는지를 이해해야 합니다. 물리학자 에드윈 홀(Edwin Hall)은 1879년에 자기장이 도체 내에서 전자 전하의 움직임을 편향시키고 편향 정도는 전하의 흐름 방향에 수직인 전위차로 측정할 수 있다는 사실을 발견하면서 이러한 특성을 결정하는 방법을 찾았습니다. 그림 1a에 표시된 입자. 홀 전압으로 알려진 이 전압은 반도체의 전하 캐리어가 음의 전자인지 "정공"이라고 불리는 양의 준입자인지, 전기장에서 얼마나 빨리 움직이는지, "이동성"(μ ), 그리고 반도체 내부의 농도(n)입니다.

140년의 미스터리

Hall이 발견된 지 수십 년이 지난 후, 연구자들은 빛을 사용하여 홀 효과를 측정할 수 있다는 사실도 발견했습니다. 이 실험을 photo-Hall이라고 합니다(그림 1b 참조). 이러한 실험에서 광 조명은 반도체에 다중 캐리어 또는 전자-정공 쌍을 생성합니다. 불행하게도 기본적인 홀 효과에 대한 우리의 이해는 대다수(또는 다수) 전하 캐리어에 대한 통찰력만을 제공했습니다. 연구자들은 두 미디어(메이저 및 비메이저)에서 동시에 매개변수를 추출할 수 없었습니다. 이러한 정보는 태양광 패널 및 기타 광전자 장치와 같은 많은 조명 관련 응용 분야의 핵심입니다.

IBM Research 잡지 연구 자연 홀 효과의 오랜 비밀 중 하나가 밝혀졌습니다. 한국과학기술원(KAIST), 한국화학연구원(KRICT), 듀크대학교, IBM 연구진이 기초물질과 비기초물질에 대한 정보를 동시에 추출할 수 있는 새로운 공식과 기법을 발견했다. 캐리어의 농도, 이동도 등 캐리어의 수명, 확산 길이, 재결합 과정에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다.

보다 구체적으로, 포토홀 실험에서 두 캐리어 모두 전도도(σ)와 홀 계수(H, 홀 전압 대 자기장 비율에 비례)의 변화에 ​​기여합니다. 주요 통찰력은 빛 강도의 함수로서 전도도와 홀 계수를 측정하는 것에서 나옵니다. 전도도-홀 계수 곡선(σ-H) 모양에 숨겨져 있는 것은 근본적으로 새로운 정보, 즉 두 캐리어의 이동도 차이를 보여줍니다. 기사에서 논의된 것처럼 이 관계는 다음과 같이 우아하게 표현될 수 있습니다.

$$display$$ Δμ = d(σ²H)/dσ$$display$$

어둠 속에서의 전통적인 홀 측정에서 알려진 다수 캐리어 밀도를 시작으로 다수 및 소수 캐리어 이동성과 밀도를 빛 강도의 함수로 밝힐 수 있습니다. 팀은 새로운 측정 방법을 CRPH(Carrier-Resolved Photo Hall)라고 명명했습니다. 알려진 조명 강도를 사용하면 캐리어의 수명도 비슷한 방식으로 설정할 수 있습니다. 이 연결과 그 해결책은 홀 효과가 발견된 이후 거의 150년 동안 숨겨져 있었습니다.

이러한 이론적 이해의 발전 외에도 실험 방법의 발전도 이 새로운 방법을 활성화하는 데 중요합니다. 이 방법에는 홀 신호의 순수한 측정이 필요합니다. 이는 홀 신호가 약한 물질(예: 낮은 이동성으로 인해)이나 강한 빛 조사와 같이 원치 않는 신호가 추가로 존재하는 경우 어려울 수 있습니다. 이를 위해서는 진동 자기장을 사용하여 홀 측정을 수행해야 합니다. 라디오를 들을 때와 마찬가지로 원하는 방송국의 주파수만 선택하고 소음으로 작용하는 다른 주파수는 모두 버려야 합니다. CRPH 방식은 한 단계 더 나아가 동기 감지(Synchronous Sensing)라는 방식을 사용해 원하는 주파수뿐만 아니라 발진 자기장의 위상도 선택한다. 이러한 진동 홀 측정 개념은 오랫동안 알려져 왔지만 전자기 코일 시스템을 사용하여 진동 자기장을 생성하는 전통적인 방법은 효과적이지 않았습니다.

이전 발견

과학에서 종종 발생하는 것처럼, 한 분야의 발전은 다른 분야의 발견에 의해 주도됩니다. 2015년에 IBM Research는 그림 2a에 표시된 것처럼 임계 길이를 초과할 때 가로 쌍극자의 두 선 사이에서 발생하는 "낙타 혹" 효과라고 하는 새로운 자기장 감금 효과와 관련된 이전에 알려지지 않은 물리학 현상을 보고했습니다. 이 효과는 그림 2b에 표시된 것처럼 병렬 쌍극자 라인 트랩(PDL 트랩)이라고 하는 새로운 유형의 천연 자기 트랩을 가능하게 하는 핵심 기능입니다. 자기 PDL 트랩은 경사계, 지진계(지진 센서)와 같은 다양한 감지 애플리케이션을 위한 새로운 플랫폼으로 사용될 수 있습니다. 빅 데이터 기술과 결합된 이러한 새로운 센서 시스템은 많은 새로운 애플리케이션을 열어줄 수 있으며, 풍부한 지리 공간 정보를 포함하는 IBM Physical Analytics Integrated Repository Service(PAIRS)라는 빅 데이터 분석 플랫폼을 개발하는 IBM 연구 팀에 의해 탐색되고 있습니다. 및 사물 인터넷(IoT).

놀랍게도 동일한 PDL 요소에는 또 다른 고유한 응용 프로그램이 있습니다. 회전하면 자기장의 단방향 순수 고조파 진동을 얻기 위한 이상적인 포토홀 실험 시스템 역할을 합니다(그림 2c). 더 중요한 것은 시스템이 시료의 넓은 영역을 조명할 수 있는 충분한 공간을 제공한다는 점이며 이는 포토홀 실험에서 매우 중요합니다.

충격

우리가 개발한 새로운 포토홀 방식을 사용하면 반도체에서 엄청난 양의 정보를 추출할 수 있습니다. 기존 홀 측정에서 단 3개의 매개변수만 얻은 것과 달리 이 새로운 방법은 테스트된 각 광도에서 최대 7개의 매개변수를 생성합니다. 여기에는 전자와 정공의 이동성이 포함됩니다. 빛의 영향으로 운반체의 농도; 재조합 수명; 전자, 정공 및 양극성 유형의 확산 길이. 이 모든 것은 N번 반복될 수 있습니다(즉, 실험에 사용된 광도 매개변수의 수).

이 새로운 발견과 기술은 기존 기술과 신흥 기술 모두에서 반도체 발전을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다. 이제 우리는 반도체 재료의 물리적 특성을 매우 자세하게 추출하는 데 필요한 지식과 도구를 보유하게 되었습니다. 예를 들어, 더 나은 태양광 패널, 더 나은 광전자 장치, 인공 지능 기술을 위한 새로운 재료 및 장치와 같은 차세대 반도체 기술의 개발을 가속화하는 데 도움이 될 것입니다.

독창적 인 7년 2019월 XNUMX일에 게재된 기사 IBM 연구 블로그.
번역 : 니콜라이 마린 (니콜라이마린), 러시아 및 CIS 국가의 IBM 최고 기술 책임자입니다.

출처 : habr.com