Oversettelse av en artikkel av forfattere fra IBM Research.
Et viktig gjennombrudd innen fysikk vil tillate oss å studere de fysiske egenskapene til halvledere i mye større detalj. Dette kan bidra til å akselerere utviklingen av neste generasjons halvlederteknologi.
Forfattere:
— Ansatt i IBM Research
Doug Bishop - Karakteriseringsingeniør, IBM Research
Halvledere er de grunnleggende byggesteinene i dagens digitale elektroniske tidsalder, og gir oss en rekke enheter som gagner våre moderne liv, for eksempel datamaskiner, smarttelefoner og andre mobile enheter. Forbedringer i halvlederfunksjonalitet og ytelse muliggjør også neste generasjons halvlederapplikasjoner innen databehandling, sensing og energikonvertering. Forskere har lenge slitt med å overvinne begrensningene i vår evne til å fullt ut forstå de elektroniske ladningene inne i halvlederenheter og avanserte halvledermaterialer som holder tilbake vår evne til å bevege seg fremover.
I en ny studie i tidsskriftet Et forskningssamarbeid ledet av IBM Research beskriver et spennende gjennombrudd i å løse et 140 år gammelt mysterium innen fysikk, et som vil tillate oss å studere de fysiske egenskapene til halvledere i mye større detalj og muliggjøre utvikling av nye og forbedrede halvledermaterialer.
For virkelig å forstå fysikken til halvledere, må vi først forstå de grunnleggende egenskapene til ladningsbærere i materialer, enten de er negative eller positive partikler, deres hastighet i et påført elektrisk felt, og hvor tett de er pakket i materialet. Fysiker Edwin Hall fant en måte å bestemme disse egenskapene i 1879 da han oppdaget at et magnetfelt vil avlede bevegelsen av elektronladninger i en leder, og at mengden av avbøyning kan måles som potensialforskjellen vinkelrett på retningsstrømmen til ladet. partikler, som vist i figur 1a. Denne spenningen, kjent som Hall-spenningen, avslører betydelig informasjon om ladningsbærerne i halvlederen, inkludert om de er negative elektroner eller positive kvasipartikler kalt "hull", hvor raskt de beveger seg i et elektrisk felt, eller deres "mobilitet" (µ ), og deres konsentrasjon (n) inne i halvlederen.
140 år gammelt mysterium
Tiår etter Halls oppdagelse oppdaget forskere også at de kunne gjøre målinger av Hall-effekten med lys – eksperimenter kalt foto-Hall, se figur 1b. I slike eksperimenter genererer lysbelysning flere bærere, eller elektron-hull-par, i halvledere. Dessverre har vår forståelse av den grunnleggende Hall-effekten gitt innsikt i bare flertallet (eller flertallets) ladebærere. Forskerne klarte ikke å trekke ut parametere fra begge mediene (major og ikke-major) samtidig. Slik informasjon er nøkkelen for mange lysrelaterte applikasjoner, som solcellepaneler og andre optoelektroniske enheter.
IBM Research magazine studie avslører en av de lenge bevarte hemmelighetene til Hall-effekten. Forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University og IBM har oppdaget en ny formel og teknikk som lar oss samtidig trekke ut informasjon om det grunnleggende og ikke-grunnleggende bærere, slik som deres konsentrasjon og mobilitet, samt innhente tilleggsinformasjon om bærerens levetid, diffusjonslengde og rekombinasjonsprosessen.
Mer spesifikt, i et foto-Hall-eksperiment, bidrar begge bærerne til endringer i konduktivitet (σ) og Hall-koeffisient (H, proporsjonal med forholdet mellom Hall-spenningen og magnetfeltet). Nøkkelinnsikt kommer fra måling av konduktivitet og Hall-koeffisient som en funksjon av lysintensitet. Skjult i formen av konduktivitet-Hall koeffisientkurven (σ-H) viser fundamentalt ny informasjon: forskjellen i mobiliteten til begge bærere. Som diskutert i artikkelen, kan dette forholdet uttrykkes elegant:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Med utgangspunkt i en kjent majoritetsbærertetthet fra en tradisjonell Hall-måling i mørket, kan vi avsløre for både majoritets- og minoritetsbærermobilitet og -tetthet som en funksjon av lysintensiteten. Teamet kalte den nye målemetoden: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Med en kjent intensitet av lysbelysning kan levetiden til bæreren fastsettes på lignende måte. Denne forbindelsen og dens løsninger har vært skjult i nesten et og et halvt århundre siden oppdagelsen av Hall-effekten.
Bortsett fra fremskritt i denne teoretiske forståelsen, er fremskritt innen eksperimentelle metoder også avgjørende for å muliggjøre denne nye metoden. Metoden krever en ren måling av Hall-signalet, noe som kan være vanskelig for materialer hvor Hall-signalet er svakt (for eksempel på grunn av lav mobilitet) eller når ytterligere uønskede signaler er tilstede, som ved sterk lysbestråling. For å gjøre dette er det nødvendig å utføre en Hall-måling ved hjelp av et oscillerende magnetfelt. Akkurat som når du hører på radio, må du velge frekvensen til ønsket stasjon, og forkaste alle andre frekvenser som fungerer som støy. CRPH-metoden går ett skritt videre og velger ikke bare ønsket frekvens, men også fasen til det oscillerende magnetfeltet ved hjelp av en metode som kalles synkron sensing. Dette konseptet med oscillerende Hall-måling har lenge vært kjent, men den tradisjonelle metoden for å bruke et system av elektromagnetiske spoler for å generere et oscillerende magnetfelt var ineffektiv.
Tidligere funn
Som ofte skjer i vitenskapen, er fremskritt på ett område drevet av oppdagelser på et annet. I 2015 rapporterte IBM Research om et tidligere ukjent fenomen i fysikk assosiert med en ny magnetfeltbegrensningseffekt kalt "kamelpukkel"-effekten, som oppstår mellom to linjer med tverrgående dipoler når de overskrider en kritisk lengde, som vist i figur 2a. Effekten er en nøkkelfunksjon som muliggjør en ny type naturlig magnetisk felle kalt en parallell dipollinjefelle (PDL-felle), som vist i figur 2b. Magnetisk PDL-felle kan brukes som en ny plattform for en rekke sensorapplikasjoner som tiltmeter, seismometer (jordskjelvsensor). Slike nye sensorsystemer, kombinert med big data-teknologier, kan åpne opp mange nye applikasjoner, og blir utforsket av IBM Research-teamet som utvikler en big data analytics-plattform kalt IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), som inneholder et vell av geospatial og Internet of Things-data (IoT).
Overraskende nok har det samme PDL-elementet en annen unik applikasjon. Når den roteres, fungerer den som et ideelt foto-Hall-eksperimentsystem for å oppnå en ensrettet og ren harmonisk oscillasjon av magnetfeltet (Figur 2c). Enda viktigere, systemet gir nok plass til å tillate belysning av et bredt område av prøven, noe som er kritisk i photo-Hall-eksperimenter.
Impact
Den nye fotohallmetoden vi har utviklet lar oss trekke ut en utrolig mengde informasjon fra halvledere. I motsetning til bare tre parametere oppnådd i den klassiske Hall-målingen, gir denne nye metoden opptil syv parametere ved hver av de testede lysintensitetene. Dette inkluderer mobiliteten til både elektroner og hull; konsentrasjonen av deres bærer under påvirkning av lys; rekombinasjonslevetid; og diffusjonslengde for elektroner, hull og ambipolare typer. Alt dette kan gjentas N ganger (dvs. antall lysintensitetsparametere brukt i eksperimentet).
Denne nye oppdagelsen og teknologien vil bidra til å fremme halvlederfremskritt i både eksisterende og nye teknologier. Vi har nå kunnskapen og verktøyene som trengs for å trekke ut de fysiske egenskapene til halvledermaterialer i detalj. For eksempel vil det bidra til å akselerere utviklingen av neste generasjons halvlederteknologi, som bedre solcellepaneler, bedre optoelektroniske enheter og nye materialer og enheter for kunstig intelligens-teknologier.
artikkel publisert 7. oktober 2019 i .
Oversettelse: Nikolay Marin (), teknologisjef IBM i Russland og CIS-landene.
Kilde: www.habr.com