Tradução de artigo de autores da IBM Research.
Um importante avanço na física nos permitirá estudar as características físicas dos semicondutores com muito mais detalhes. Isto pode ajudar a acelerar o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores da próxima geração.
Autores:
— Membro da equipe, IBM Research
Doug Bishop - Engenheiro de Caracterização, IBM Research
Os semicondutores são os blocos básicos da era eletrônica digital atual, fornecendo-nos uma variedade de dispositivos que beneficiam nossas vidas modernas, como computadores, smartphones e outros dispositivos móveis. As melhorias na funcionalidade e no desempenho dos semicondutores também estão permitindo aplicações de semicondutores de próxima geração em computação, detecção e conversão de energia. Os pesquisadores há muito lutam para superar as limitações em nossa capacidade de compreender completamente as cargas eletrônicas dentro de dispositivos semicondutores e materiais semicondutores avançados que estão impedindo nossa capacidade de avançar.
Em um novo estudo publicado na revista Uma colaboração de pesquisa liderada pela IBM Research descreve um avanço emocionante na resolução de um mistério da física de 140 anos, que nos permitirá estudar as características físicas dos semicondutores com muito mais detalhes e permitir o desenvolvimento de materiais semicondutores novos e aprimorados.
Para compreender verdadeiramente a física dos semicondutores, devemos primeiro compreender as propriedades fundamentais dos portadores de carga nos materiais, sejam eles partículas negativas ou positivas, a sua velocidade num campo eléctrico aplicado e a densidade com que estão compactados no material. O físico Edwin Hall encontrou uma maneira de determinar essas propriedades em 1879, quando descobriu que um campo magnético desviaria o movimento das cargas de elétrons dentro de um condutor, e que a quantidade de deflexão pode ser medida como a diferença de potencial perpendicular ao fluxo direcional de cargas carregadas. partículas, como mostrado na Figura 1a. Esta tensão, conhecida como tensão Hall, revela informações significativas sobre os portadores de carga no semicondutor, incluindo se são elétrons negativos ou quasipartículas positivas chamadas “buracos”, a rapidez com que se movem em um campo elétrico ou sua “mobilidade” (µ ) e sua concentração (n) dentro do semicondutor.
Mistério de 140 anos
Décadas após a descoberta de Hall, os investigadores também descobriram que podiam fazer medições do efeito Hall com luz – experiências chamadas foto-Hall, ver Figura 1b. Em tais experimentos, a iluminação luminosa gera múltiplos portadores, ou pares elétron-buraco, em semicondutores. Infelizmente, nossa compreensão do efeito Hall básico forneceu informações apenas sobre a maioria (ou a maioria) dos portadores de carga. Os pesquisadores não conseguiram extrair parâmetros de ambas as mídias (principais e não principais) simultaneamente. Essas informações são fundamentais para muitas aplicações relacionadas à luz, como painéis solares e outros dispositivos optoeletrônicos.
Estudo da revista IBM Research revela um dos segredos há muito guardados do efeito Hall. Pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coreia (KRICT), Universidade Duke e IBM descobriram uma nova fórmula e técnica que nos permite extrair simultaneamente informações sobre os componentes básicos e não básicos. transportadores, como sua concentração e mobilidade, bem como obter informações adicionais sobre o tempo de vida do transportador, comprimento de difusão e processo de recombinação.
Mais especificamente, em um experimento foto-Hall, ambas as portadoras contribuem para mudanças na condutividade (σ) e no coeficiente Hall (H, proporcional à razão entre a tensão Hall e o campo magnético). Os principais insights vêm da medição da condutividade e do coeficiente Hall em função da intensidade da luz. Oculto na forma da curva do coeficiente de condutividade-Hall (σ-H) mostra informações fundamentalmente novas: a diferença na mobilidade de ambas as portadoras. Conforme discutido no artigo, essa relação pode ser expressa de forma elegante:
$$exibição$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$exibição$$
Começando com uma densidade de portadores majoritários conhecida a partir de uma medição tradicional de Hall no escuro, podemos revelar tanto para os portadores majoritários quanto para os minoritários a mobilidade e a densidade em função da intensidade da luz. A equipe nomeou o novo método de medição: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Com uma intensidade de iluminação conhecida, a vida útil do suporte pode ser estabelecida de maneira semelhante. Esta ligação e as suas soluções ficaram escondidas durante quase um século e meio desde a descoberta do efeito Hall.
Além dos avanços nesta compreensão teórica, os avanços nos métodos experimentais também são críticos para viabilizar este novo método. O método requer uma medição pura do sinal Hall, o que pode ser difícil para materiais onde o sinal Hall é fraco (por exemplo, devido à baixa mobilidade) ou quando sinais adicionais indesejados estão presentes, como acontece com forte irradiação de luz. Para isso, é necessário realizar uma medição Hall utilizando um campo magnético oscilante. Assim como ao ouvir rádio, é necessário selecionar a frequência da estação desejada, descartando todas as outras frequências que funcionam como ruído. O método CRPH vai um passo além e seleciona não apenas a frequência desejada, mas também a fase do campo magnético oscilante usando um método chamado detecção síncrona. Este conceito de medição Hall oscilante é conhecido há muito tempo, mas o método tradicional de usar um sistema de bobinas eletromagnéticas para gerar um campo magnético oscilante era ineficaz.
Descoberta anterior
Como acontece frequentemente na ciência, os avanços numa área são impulsionados por descobertas noutra. Em 2015, a IBM Research relatou um fenômeno até então desconhecido na física associado a um novo efeito de confinamento do campo magnético denominado efeito “corcunda de camelo”, que ocorre entre duas linhas de dipolos transversais quando excedem um comprimento crítico, conforme mostrado na Figura 2a. O efeito é uma característica chave que permite um novo tipo de armadilha magnética natural chamada armadilha de linha dipolo paralela (armadilha PDL), conforme mostrado na Figura 2b. A armadilha magnética PDL pode ser usada como uma nova plataforma para uma variedade de aplicações de detecção, como medidor de inclinação e sismômetro (sensor de terremoto). Esses novos sistemas de sensores, juntamente com tecnologias de big data, poderiam abrir muitas novas aplicações e estão sendo explorados pela equipe de pesquisa da IBM que desenvolve uma plataforma de análise de big data chamada IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), que contém uma riqueza de recursos geoespaciais. e dados da Internet das Coisas (IoT).
Surpreendentemente, o mesmo elemento PDL possui outra aplicação exclusiva. Quando girado, serve como um sistema experimental foto-Hall ideal para obter uma oscilação harmônica unidirecional e pura do campo magnético (Figura 2c). Mais importante ainda, o sistema fornece espaço suficiente para permitir a iluminação de uma ampla área da amostra, o que é crítico em experimentos de photo-Hall.
Impacto
O novo método photo-hall que desenvolvemos nos permite extrair uma quantidade incrível de informações de semicondutores. Em contraste com apenas três parâmetros obtidos na medição clássica de Hall, este novo método produz até sete parâmetros em cada uma das intensidades de luz testadas. Isto inclui a mobilidade de elétrons e lacunas; a concentração de seu portador sob a influência da luz; tempo de vida de recombinação; e comprimento de difusão para elétrons, buracos e tipos ambipolares. Tudo isso pode ser repetido N vezes (ou seja, o número de parâmetros de intensidade de luz utilizados no experimento).
Esta nova descoberta e tecnologia ajudará a avançar nos avanços dos semicondutores em tecnologias existentes e emergentes. Agora temos o conhecimento e as ferramentas necessárias para extrair detalhadamente as características físicas dos materiais semicondutores. Por exemplo, ajudará a acelerar o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores da próxima geração, tais como melhores painéis solares, melhores dispositivos optoelectrónicos e novos materiais e dispositivos para tecnologias de inteligência artificial.
artigo publicado em 7 de outubro de 2019 em .
Tradução: Nikolai Marin (), Diretor de Tecnologia da IBM na Rússia e nos países da CEI.
Fonte: habr.com