Tłumaczenie artykułu autorów z IBM Research.
Ważny przełom w fizyce umożliwi nam znacznie bardziej szczegółowe badanie właściwości fizycznych półprzewodników. Może to pomóc przyspieszyć rozwój technologii półprzewodników nowej generacji.
Autorzy:
— Pracownik działu badawczego IBM
Doug Bishop — inżynier ds. charakterystyki, dział badawczy IBM
Półprzewodniki to podstawowe elementy składowe dzisiejszej cyfrowej ery elektroniki, zapewniające nam różnorodne urządzenia przydatne w naszym współczesnym życiu, takie jak komputery, smartfony i inne urządzenia mobilne. Ulepszenia funkcjonalności i wydajności półprzewodników umożliwiają także zastosowania półprzewodników nowej generacji w obliczeniach, wykrywaniu i konwersji energii. Naukowcy od dawna usiłują pokonać ograniczenia w naszej zdolności do pełnego zrozumienia ładunków elektronicznych wewnątrz urządzeń półprzewodnikowych i zaawansowanych materiałów półprzewodnikowych, które utrudniają nam dalszy rozwój.
W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Współpraca badawcza prowadzona przez IBM Research opisuje ekscytujący przełom w rozwiązaniu 140-letniej zagadki fizyki, która umożliwi nam znacznie bardziej szczegółowe badanie właściwości fizycznych półprzewodników i umożliwi rozwój nowych i ulepszonych materiałów półprzewodnikowych.
Aby naprawdę zrozumieć fizykę półprzewodników, musimy najpierw zrozumieć podstawowe właściwości nośników ładunku w materiałach, czy są to cząstki ujemne czy dodatnie, ich prędkość w przyłożonym polu elektrycznym oraz gęstość ich upakowania w materiale. Fizyk Edwin Hall znalazł sposób na określenie tych właściwości w 1879 roku, kiedy odkrył, że pole magnetyczne odchyla ruch ładunków elektronów w przewodniku i że wielkość tego odchylenia można zmierzyć jako różnicę potencjałów prostopadłą do kierunku przepływu naładowanych ładunków cząstki, jak pokazano na rysunku 1a. Napięcie to, znane jako napięcie Halla, ujawnia istotne informacje o nośnikach ładunku w półprzewodniku, w tym o tym, czy są to elektrony ujemne, czy dodatnie kwazicząstki zwane „dziurami”, jak szybko poruszają się w polu elektrycznym lub ich „mobilność” (µ ) i ich stężenie (n) wewnątrz półprzewodnika.
140-letnia tajemnica
Kilkadziesiąt lat po odkryciu Halla badacze odkryli również, że można dokonywać pomiarów efektu Halla za pomocą światła — eksperymenty zwane fotohallem, patrz rysunek 1b. W takich eksperymentach oświetlenie światłem generuje w półprzewodnikach wiele nośników, czyli par elektron-dziura. Niestety, nasze zrozumienie podstawowego efektu Halla umożliwiło wgląd jedynie w większość (lub większość) nośników ładunku. Badacze nie byli w stanie wyodrębnić parametrów z obu mediów (głównych i innych) jednocześnie. Informacje takie są kluczowe w wielu zastosowaniach związanych ze światłem, takich jak panele słoneczne i inne urządzenia optoelektroniczne.
Badanie magazynu IBM Research odkrywa jedną z długo skrywanych tajemnic efektu Halla. Naukowcy z Koreańskiego Zaawansowanego Instytutu Nauki i Technologii (KAIST), Koreańskiego Instytutu Badawczego Technologii Chemicznej (KRICT), Uniwersytetu Duke i IBM odkryli nową formułę i technikę, która pozwala nam jednocześnie wydobywać informacje o podstawowych i niepodstawowych nośników, takich jak ich stężenie i ruchliwość, a także uzyskać dodatkowe informacje na temat czasu życia nośnika, długości dyfuzji i procesu rekombinacji.
Dokładniej, w eksperymencie foto-Halla oba nośniki przyczyniają się do zmian przewodności (σ) i współczynnika Halla (H, proporcjonalnego do stosunku napięcia Halla do pola magnetycznego). Kluczowe wnioski pochodzą z pomiarów przewodności i współczynnika Halla w funkcji natężenia światła. Ukryta w kształcie krzywej współczynnika przewodności-Halla (σ-H) pokazuje zasadniczo nową informację: różnicę w ruchliwości obu nośników. Jak omówiono w artykule, zależność tę można wyrazić elegancko:
$$wyświetlacz$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$wyświetlacz$$
Zaczynając od znanej gęstości nośników większościowych z tradycyjnego pomiaru Halla w ciemności, możemy odkryć ruchliwość i gęstość zarówno większości, jak i mniejszości nośników w funkcji natężenia światła. Zespół nazwał nową metodę pomiaru: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Przy znanym natężeniu oświetlenia światłem żywotność nośnika można ustalić w podobny sposób. To połączenie i jego rozwiązania były ukrywane przez prawie półtora wieku od odkrycia efektu Halla.
Oprócz postępów w rozumieniu teoretycznym, dla umożliwienia zastosowania tej nowej metody decydujące znaczenie ma także postęp w metodach eksperymentalnych. Metoda wymaga czystego pomiaru sygnału Halla, co może być trudne w przypadku materiałów, w których sygnał Halla jest słaby (na przykład z powodu małej mobilności) lub gdy występują dodatkowe niepożądane sygnały, np. w przypadku silnego napromieniowania światłem. W tym celu konieczne jest wykonanie pomiaru Halla przy użyciu oscylującego pola magnetycznego. Podobnie jak podczas słuchania radia, musisz wybrać częstotliwość żądanej stacji, odrzucając wszystkie inne częstotliwości, które działają jak szum. Metoda CRPH idzie o krok dalej i wybiera nie tylko żądaną częstotliwość, ale także fazę oscylującego pola magnetycznego za pomocą metody zwanej wykrywaniem synchronicznym. Koncepcja oscylacyjnego pomiaru Halla jest znana od dawna, jednak tradycyjna metoda wykorzystania układu cewek elektromagnetycznych do generowania oscylującego pola magnetycznego była nieskuteczna.
Poprzednie odkrycie
Jak to często bywa w nauce, postęp w jednej dziedzinie napędzany jest odkryciami w innej. W 2015 roku dział IBM Research zgłosił nieznane wcześniej zjawisko w fizyce związane z nowym efektem uwięzienia pola magnetycznego, zwanym efektem „garbu wielbłąda”, który występuje pomiędzy dwiema liniami poprzecznych dipoli, gdy przekraczają one długość krytyczną, jak pokazano na rysunku 2a. Efekt ten jest kluczową cechą, która umożliwia utworzenie nowego typu naturalnej pułapki magnetycznej zwanej pułapką z równoległą linią dipolową (pułapką PDL), jak pokazano na rysunku 2b. Magnetyczną pułapkę PDL można wykorzystać jako nowatorską platformę do różnych zastosowań czujnikowych, takich jak przechyłomierz czy sejsmometr (czujnik trzęsień ziemi). Takie nowe systemy czujników w połączeniu z technologiami dużych zbiorów danych mogą otworzyć wiele nowych zastosowań i są badane przez zespół badawczy IBM opracowujący platformę do analizy dużych zbiorów danych o nazwie IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), która zawiera bogactwo danych geoprzestrzennych oraz dane Internetu rzeczy (IoT).
Co zaskakujące, ten sam element PDL ma inne unikalne zastosowanie. Po obróceniu służy jako idealny system eksperymentów Photo-Hall w celu uzyskania jednokierunkowych i czystych harmonicznych oscylacji pola magnetycznego (rysunek 2c). Co ważniejsze, system zapewnia wystarczającą przestrzeń, aby umożliwić oświetlenie dużego obszaru próbki, co ma kluczowe znaczenie w eksperymentach z fotohalą.
Wpływ
Opracowana przez nas nowa metoda fotohali pozwala nam wydobyć niesamowitą ilość informacji z półprzewodników. W przeciwieństwie do zaledwie trzech parametrów uzyskiwanych w klasycznym pomiarze Halla, ta nowa metoda pozwala uzyskać aż do siedmiu parametrów przy każdym badanym natężeniu światła. Obejmuje to ruchliwość zarówno elektronów, jak i dziur; stężenie ich nośnika pod wpływem światła; czas życia rekombinacji; i długość dyfuzji dla elektronów, dziur i typów ambipolarnych. Wszystko to można powtórzyć N razy (tj. liczbę parametrów natężenia światła zastosowanych w eksperymencie).
To nowe odkrycie i technologia pomogą w postępie w zakresie półprzewodników zarówno w istniejących, jak i powstających technologiach. Dysponujemy obecnie wiedzą i narzędziami niezbędnymi do szczegółowego wyodrębnienia właściwości fizycznych materiałów półprzewodnikowych. Pomoże na przykład przyspieszyć rozwój technologii półprzewodników nowej generacji, takich jak lepsze panele słoneczne, lepsze urządzenia optoelektroniczne oraz nowe materiały i urządzenia na potrzeby technologii sztucznej inteligencji.
artykuł opublikowany 7 października 2019 r. w .
Tłumaczenie: Nikołaj Marin (), dyrektor ds. technologii IBM w Rosji i krajach WNP.
Źródło: www.habr.com