Membongkar rahsia 140 tahun dalam fizik

Terjemahan artikel oleh pengarang dari IBM Research.

Satu kejayaan penting dalam fizik akan membolehkan kita mengkaji ciri-ciri fizikal semikonduktor dengan lebih terperinci. Ini boleh membantu mempercepatkan pembangunan teknologi semikonduktor generasi akan datang.

Pengarang:
Oki Gunawan — Ahli Kakitangan, IBM Research
Doug Bishop - Jurutera Pencirian, Penyelidikan IBM

Semikonduktor ialah bahan binaan asas era elektronik digital hari ini, memberikan kita pelbagai peranti yang memberi manfaat kepada kehidupan moden kita, seperti komputer, telefon pintar dan peranti mudah alih yang lain. Penambahbaikan dalam fungsi dan prestasi semikonduktor juga membolehkan aplikasi semikonduktor generasi seterusnya dalam pengkomputeran, penderiaan dan penukaran tenaga. Para penyelidik telah lama bergelut untuk mengatasi batasan dalam keupayaan kami untuk memahami sepenuhnya cas elektronik di dalam peranti semikonduktor dan bahan semikonduktor termaju yang menghalang keupayaan kami untuk bergerak ke hadapan.

Dalam kajian baru dalam jurnal Alam Kerjasama penyelidikan yang diketuai oleh IBM Research menerangkan satu kejayaan menarik dalam menyelesaikan misteri 140 tahun dalam fizik, yang akan membolehkan kita mengkaji ciri-ciri fizikal semikonduktor dengan lebih terperinci dan membolehkan pembangunan bahan semikonduktor baharu dan dipertingkatkan.

Untuk benar-benar memahami fizik semikonduktor, kita mesti terlebih dahulu memahami sifat asas pembawa cas dalam bahan, sama ada zarah negatif atau positif, kelajuannya dalam medan elektrik yang digunakan, dan betapa padatnya ia dibungkus dalam bahan. Ahli fizik Edwin Hall menemui cara untuk menentukan sifat-sifat ini pada tahun 1879 apabila dia mendapati bahawa medan magnet akan memesongkan pergerakan cas elektron dalam konduktor, dan bahawa jumlah pesongan boleh diukur sebagai beza keupayaan berserenjang dengan aliran arah bercas. zarah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1a. Voltan ini, yang dikenali sebagai voltan Hall, mendedahkan maklumat penting tentang pembawa cas dalam semikonduktor, termasuk sama ada ia adalah elektron negatif atau kuasipartikel positif yang dipanggil "lubang", berapa cepat ia bergerak dalam medan elektrik, atau "mobiliti" mereka (µ ), dan kepekatannya (n) di dalam semikonduktor.

Misteri 140 tahun

Beberapa dekad selepas penemuan Hall, penyelidik juga mendapati bahawa mereka boleh membuat pengukuran kesan Hall dengan eksperimen cahaya yang dipanggil photo-Hall, lihat Rajah 1b. Dalam eksperimen sedemikian, pencahayaan cahaya menjana berbilang pembawa, atau pasangan lubang elektron, dalam semikonduktor. Malangnya, pemahaman kami tentang kesan Hall asas telah memberikan cerapan kepada pembawa caj majoriti (atau majoriti) sahaja. Para penyelidik tidak dapat mengekstrak parameter dari kedua-dua media (utama dan bukan utama) secara serentak. Maklumat sedemikian adalah kunci untuk banyak aplikasi berkaitan cahaya, seperti panel solar dan peranti optoelektronik lain.

Kajian majalah IBM Research Alam mendedahkan salah satu rahsia kesan Hall yang telah lama disimpan. Penyelidik dari Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, dan IBM telah menemui formula dan teknik baharu yang membolehkan kami mengekstrak maklumat tentang asas dan bukan asas secara serentak pembawa, seperti kepekatan dan mobilitinya, serta mendapatkan maklumat tambahan tentang jangka hayat pembawa, panjang resapan dan proses penggabungan semula.

Lebih khusus lagi, dalam eksperimen photo-Hall, kedua-dua pembawa menyumbang kepada perubahan dalam kekonduksian (σ) dan pekali Hall (H, berkadar dengan nisbah voltan Hall kepada medan magnet). Cerapan utama datang daripada mengukur kekonduksian dan pekali Hall sebagai fungsi keamatan cahaya. Tersembunyi dalam bentuk keluk pekali kekonduksian-Dewan (σ-H) menunjukkan asas maklumat baharu: perbezaan dalam mobiliti kedua-dua pembawa. Seperti yang dibincangkan dalam artikel, hubungan ini boleh dinyatakan dengan elegan:

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

Bermula dengan kepadatan pembawa majoriti yang diketahui daripada pengukuran Dewan tradisional dalam gelap, kami boleh mendedahkan mobiliti dan ketumpatan pembawa majoriti dan minoriti sebagai fungsi keamatan cahaya. Pasukan itu menamakan kaedah pengukuran baharu: Dewan Foto Penyelesaian Pembawa (CRPH). Dengan keamatan pencahayaan cahaya yang diketahui, jangka hayat pembawa boleh ditetapkan dengan cara yang sama. Sambungan ini dan penyelesaiannya telah disembunyikan selama hampir satu setengah abad sejak penemuan kesan Hall.

Selain daripada kemajuan dalam pemahaman teori ini, kemajuan dalam kaedah eksperimen juga penting untuk membolehkan kaedah baru ini. Kaedah ini memerlukan pengukuran tulen isyarat Dewan, yang mungkin sukar untuk bahan yang isyarat Dewan lemah (contohnya, disebabkan mobiliti rendah) atau apabila isyarat tambahan yang tidak diingini hadir, seperti dengan penyinaran cahaya yang kuat. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk melakukan pengukuran Dewan menggunakan medan magnet berayun. Sama seperti semasa mendengar radio, anda perlu memilih frekuensi stesen yang dikehendaki, membuang semua frekuensi lain yang bertindak sebagai bunyi. Kaedah CRPH melangkah lebih jauh dan memilih bukan sahaja frekuensi yang dikehendaki tetapi juga fasa medan magnet berayun menggunakan kaedah yang dipanggil penderiaan segerak. Konsep pengukuran Dewan berayun ini telah lama diketahui, tetapi kaedah tradisional menggunakan sistem gegelung elektromagnet untuk menjana medan magnet berayun adalah tidak berkesan.

Penemuan sebelumnya

Seperti yang sering berlaku dalam sains, kemajuan dalam satu bidang didorong oleh penemuan dalam bidang lain. Pada tahun 2015, IBM Research melaporkan fenomena yang tidak diketahui sebelum ini dalam fizik yang dikaitkan dengan kesan kurungan medan magnet baharu yang dipanggil kesan "punuk unta", yang berlaku di antara dua baris dipol melintang apabila ia melebihi panjang kritikal, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a. Kesannya ialah ciri utama yang membolehkan perangkap magnet semula jadi jenis baharu yang dipanggil perangkap garis dipol selari (perangkap PDL), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2b. Perangkap PDL magnetik boleh digunakan sebagai platform baru untuk pelbagai aplikasi penderiaan seperti tiltmeter, seismometer (sensor gempa). Sistem sensor baharu sedemikian, ditambah dengan teknologi data besar, boleh membuka banyak aplikasi baharu, dan sedang diterokai oleh pasukan Penyelidikan IBM membangunkan platform analitik data besar yang dipanggil Perkhidmatan Repositori Bersepadu Analitis Fizikal IBM (PAIRS), yang mengandungi banyak geospatial. dan data Internet of Things (IoT).

Anehnya, elemen PDL yang sama mempunyai satu lagi aplikasi unik. Apabila diputar, ia berfungsi sebagai sistem eksperimen Dewan foto yang ideal untuk mendapatkan ayunan harmonik satu arah dan tulen bagi medan magnet (Rajah 2c). Lebih penting lagi, sistem menyediakan ruang yang cukup untuk membenarkan pencahayaan kawasan luas sampel, yang penting dalam eksperimen Dewan foto.

Kesan

Kaedah dewan foto baharu yang telah kami bangunkan membolehkan kami mengeluarkan sejumlah besar maklumat daripada semikonduktor. Berbeza dengan hanya tiga parameter yang diperoleh dalam pengukuran Dewan klasik, kaedah baharu ini menghasilkan sehingga tujuh parameter pada setiap keamatan cahaya yang diuji. Ini termasuk mobiliti kedua-dua elektron dan lubang; kepekatan pembawa mereka di bawah pengaruh cahaya; seumur hidup penggabungan semula; dan panjang resapan untuk elektron, lubang dan jenis ambipolar. Semua ini boleh diulang N kali (iaitu bilangan parameter keamatan cahaya yang digunakan dalam eksperimen).

Penemuan dan teknologi baharu ini akan membantu memajukan kemajuan semikonduktor dalam kedua-dua teknologi sedia ada dan baru muncul. Kami kini mempunyai pengetahuan dan alat yang diperlukan untuk mengekstrak ciri fizikal bahan semikonduktor dengan terperinci. Sebagai contoh, ia akan membantu mempercepatkan pembangunan teknologi semikonduktor generasi akan datang, seperti panel solar yang lebih baik, peranti optoelektronik yang lebih baik dan bahan serta peranti baharu untuk teknologi kecerdasan buatan.

Asal artikel yang diterbitkan pada 7 Oktober 2019 dalam Blog IBM Research.
Terjemahan: Nikolay Marin (NikolayMarin), Ketua Pegawai Teknologi IBM di Rusia dan negara-negara CIS.

Sumber: www.habr.com