Vertaling van een artikel van auteurs van IBM Research.
Een belangrijke doorbraak in de natuurkunde zal ons in staat stellen de fysieke kenmerken van halfgeleiders veel gedetailleerder te bestuderen. Dit kan de ontwikkeling van de volgende generatie halfgeleidertechnologie helpen versnellen.
Auteurs:
— Staflid, IBM Research
Doug Bishop - Karakteriseringsingenieur, IBM Research
Halfgeleiders zijn de basisbouwstenen van het huidige digitale elektronische tijdperk en voorzien ons van een verscheidenheid aan apparaten die ons moderne leven ten goede komen, zoals computers, smartphones en andere mobiele apparaten. Verbeteringen in de functionaliteit en prestaties van halfgeleiders maken ook halfgeleidertoepassingen van de volgende generatie mogelijk op het gebied van computergebruik, detectie en energieconversie. Onderzoekers hebben lang geworsteld met het overwinnen van de beperkingen in ons vermogen om de elektronische ladingen in halfgeleiderapparaten en geavanceerde halfgeleidermaterialen volledig te begrijpen, die ons vermogen om vooruit te komen belemmeren.
In een nieuwe studie in het tijdschrift Een onderzoekssamenwerking onder leiding van IBM Research beschrijft een opwindende doorbraak in het oplossen van een 140 jaar oud mysterie in de natuurkunde, een die ons in staat zal stellen de fysieke kenmerken van halfgeleiders in veel gedetailleerder te bestuderen en de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde halfgeleidermaterialen mogelijk te maken.
Om de fysica van halfgeleiders echt te begrijpen, moeten we eerst de fundamentele eigenschappen van ladingsdragers in materialen begrijpen, of het nu negatieve of positieve deeltjes zijn, hun snelheid in een aangelegd elektrisch veld en hoe dicht ze in het materiaal zijn verpakt. Natuurkundige Edwin Hall vond een manier om deze eigenschappen te bepalen in 1879 toen hij ontdekte dat een magnetisch veld de beweging van elektronenladingen binnen een geleider zal afbuigen, en dat de mate van afbuiging kan worden gemeten als het potentiaalverschil loodrecht op de richtingsstroom van geladen elektronen. deeltjes, zoals weergegeven in figuur la. Deze spanning, bekend als de Hall-spanning, onthult belangrijke informatie over de ladingsdragers in de halfgeleider, inclusief of het negatieve elektronen zijn of positieve quasideeltjes die ‘gaten’ worden genoemd, hoe snel ze bewegen in een elektrisch veld, of hun ‘mobiliteit’ (μ ) , en hun concentratie (n) in de halfgeleider.
140 jaar oud mysterie
Tientallen jaren na de ontdekking van Hall ontdekten onderzoekers ook dat ze het Hall-effect konden meten met licht; experimenten genaamd photo-Hall, zie figuur 1b. Bij dergelijke experimenten genereert lichtverlichting meerdere dragers, of elektronen-gatparen, in halfgeleiders. Helaas heeft ons begrip van het fundamentele Hall-effect alleen inzicht gegeven in de meerderheid (of meerderheid) van de kostendragers. De onderzoekers waren niet in staat om tegelijkertijd parameters uit beide media (grote en niet-grote) te extraheren. Dergelijke informatie is van cruciaal belang voor veel lichtgerelateerde toepassingen, zoals zonnepanelen en andere opto-elektronische apparaten.
Onderzoek uit het tijdschrift IBM Research onthult een van de lang bewaarde geheimen van het Hall-effect. Onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University en IBM hebben een nieuwe formule en techniek ontdekt waarmee we tegelijkertijd informatie kunnen extraheren over de fundamentele en niet-fundamentele dragers, zoals hun concentratie en mobiliteit, en verkrijgen zij aanvullende informatie over de levensduur van de drager, de diffusielengte en het recombinatieproces.
Meer specifiek dragen in een foto-Hall-experiment beide dragers bij aan veranderingen in de geleidbaarheid (σ) en de Hall-coëfficiënt (H, evenredig met de verhouding van de Hall-spanning tot het magnetische veld). Belangrijke inzichten komen voort uit het meten van de geleidbaarheid en de Hall-coëfficiënt als functie van de lichtintensiteit. Verborgen in de vorm van de geleidbaarheid-Hall-coëfficiëntcurve (σ-H) blijkt fundamenteel nieuwe informatie: het verschil in de mobiliteit van beide dragers. Zoals besproken in het artikel kan deze relatie op elegante wijze worden uitgedrukt:
$$weergave$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$weergave$$
Beginnend met een bekende meerderheidsdragerdichtheid uit een traditionele Hall-meting in het donker, kunnen we voor zowel de meerderheids- als minderheidsdragers de mobiliteit en dichtheid onthullen als een functie van de lichtintensiteit. Het team noemde de nieuwe meetmethode: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Bij een bekende lichtintensiteit kan op soortgelijke wijze de levensduur van de drager worden vastgesteld. Dit verband en de oplossingen ervan zijn al bijna anderhalve eeuw verborgen sinds de ontdekking van het Hall-effect.
Afgezien van de vooruitgang in dit theoretische begrip, zijn de vorderingen in de experimentele methoden ook van cruciaal belang om deze nieuwe methode mogelijk te maken. De methode vereist een zuivere meting van het Hall-signaal, wat moeilijk kan zijn voor materialen waar het Hall-signaal zwak is (bijvoorbeeld vanwege lage mobiliteit) of wanneer er extra ongewenste signalen aanwezig zijn, zoals bij sterke lichtinstraling. Om dit te doen is het noodzakelijk om een Hall-meting uit te voeren met behulp van een oscillerend magnetisch veld. Net als bij het luisteren naar de radio, moet u de frequentie van de gewenste zender selecteren en alle andere frequenties die als ruis fungeren, negeren. De CRPH-methode gaat nog een stap verder en selecteert niet alleen de gewenste frequentie, maar ook de fase van het oscillerende magnetische veld met behulp van een methode die synchrone detectie wordt genoemd. Dit concept van oscillerende Hall-meting is al lang bekend, maar de traditionele methode om een systeem van elektromagnetische spoelen te gebruiken om een oscillerend magnetisch veld te genereren was niet effectief.
Vorige ontdekking
Zoals vaak gebeurt in de wetenschap, wordt vooruitgang op het ene gebied gedreven door ontdekkingen op een ander gebied. In 2015 rapporteerde IBM Research een voorheen onbekend fenomeen in de natuurkunde dat verband houdt met een nieuw magnetisch veldopsluitingseffect, het ‘camel hump’-effect genaamd, dat optreedt tussen twee lijnen van transversale dipolen wanneer ze een kritische lengte overschrijden, zoals weergegeven in figuur 2a. Het effect is een belangrijk kenmerk dat een nieuw type natuurlijke magnetische val mogelijk maakt, een zogenaamde parallelle dipoollijnval (PDL-val), zoals weergegeven in figuur 2b. Magnetische PDL-val kan worden gebruikt als een nieuw platform voor een verscheidenheid aan detectietoepassingen, zoals tiltmeter, seismometer (aardbevingssensor). Dergelijke nieuwe sensorsystemen, gekoppeld aan big data-technologieën, zouden veel nieuwe toepassingen kunnen openen, en worden onderzocht door het IBM Research-team dat een big data-analyseplatform ontwikkelt genaamd IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), dat een schat aan georuimtelijke data bevat. en Internet of Things-gegevens (IoT).
Verrassend genoeg heeft hetzelfde PDL-element nog een andere unieke toepassing. Wanneer het wordt gedraaid, dient het als een ideaal foto-Hall-experimentsysteem om een unidirectionele en zuivere harmonische oscillatie van het magnetische veld te verkrijgen (Figuur 2c). Belangrijker nog is dat het systeem voldoende ruimte biedt om een groot deel van het monster te belichten, wat van cruciaal belang is bij foto-Hall-experimenten.
Botsing
Met de nieuwe photo-hall-methode die we hebben ontwikkeld, kunnen we een verbazingwekkende hoeveelheid informatie uit halfgeleiders halen. In tegenstelling tot slechts drie parameters verkregen bij de klassieke Hall-meting, levert deze nieuwe methode maximaal zeven parameters op bij elk van de geteste lichtintensiteiten. Dit omvat de mobiliteit van zowel elektronen als gaten; de concentratie van hun drager onder invloed van licht; recombinatie levensduur; en diffusielengte voor elektronen, gaten en ambipolaire typen. Dit alles kan N keer worden herhaald (dat wil zeggen het aantal lichtintensiteitsparameters dat in het experiment wordt gebruikt).
Deze nieuwe ontdekking en technologie zullen de vooruitgang op het gebied van halfgeleiders in zowel bestaande als opkomende technologieën helpen bevorderen. We beschikken nu over de kennis en hulpmiddelen die nodig zijn om de fysieke kenmerken van halfgeleidermaterialen tot in detail te bepalen. Het zal bijvoorbeeld de ontwikkeling van de volgende generatie halfgeleidertechnologie helpen versnellen, zoals betere zonnepanelen, betere opto-elektronische apparaten en nieuwe materialen en apparaten voor kunstmatige intelligentietechnologieën.
artikel gepubliceerd op 7 oktober 2019 in .
Vertaling: Nikolaj Marin (), Chief Technology Officer IBM in Rusland en de GOS-landen.
Bron: www.habr.com