Traducerea unui articol de către autori de la IBM Research.
O descoperire importantă în fizică ne va permite să studiem caracteristicile fizice ale semiconductorilor în detaliu mult mai mare. Acest lucru poate ajuta la accelerarea dezvoltării tehnologiei semiconductoare de ultimă generație.
Autori:
— Membru al personalului, IBM Research
Doug Bishop - Inginer de caracterizare, IBM Research
Semiconductorii sunt elementele de bază ale erei electronice digitale de astăzi, oferindu-ne o varietate de dispozitive care beneficiază viețile noastre moderne, cum ar fi computere, smartphone-uri și alte dispozitive mobile. Îmbunătățirile în funcționalitatea și performanța semiconductoarelor permit, de asemenea, aplicații de semiconductor de ultimă generație în calcul, detecție și conversie a energiei. Cercetătorii s-au străduit de multă vreme să depășească limitele capacității noastre de a înțelege pe deplin încărcările electronice din interiorul dispozitivelor semiconductoare și materialelor semiconductoare avansate care ne împiedică capacitatea de a merge mai departe.
Într-un nou studiu în jurnal O colaborare de cercetare condusă de IBM Research descrie o descoperire interesantă în rezolvarea unui mister vechi de 140 de ani în fizică, unul care ne va permite să studiem caracteristicile fizice ale semiconductoarelor în detaliu mult mai mare și să permitem dezvoltarea de materiale semiconductoare noi și îmbunătățite.
Pentru a înțelege cu adevărat fizica semiconductorilor, trebuie să înțelegem mai întâi proprietățile fundamentale ale purtătorilor de sarcină din materiale, indiferent dacă sunt particule negative sau pozitive, viteza lor într-un câmp electric aplicat și cât de dens sunt împachetate în material. Fizicianul Edwin Hall a găsit o modalitate de a determina aceste proprietăți în 1879, când a descoperit că un câmp magnetic va devia mișcarea sarcinilor electronilor într-un conductor și că cantitatea de deviere poate fi măsurată ca diferență de potențial perpendiculară pe fluxul direcțional al încărcării. particule, așa cum se arată în Figura 1a. Această tensiune, cunoscută sub numele de tensiune Hall, dezvăluie informații semnificative despre purtătorii de sarcină din semiconductor, inclusiv dacă sunt electroni negativi sau cvasiparticule pozitive numite „găuri”, cât de repede se mișcă într-un câmp electric sau „mobilitatea” lor (µ ) și concentrația lor (n) în interiorul semiconductorului.
Mister vechi de 140 de ani
La câteva decenii după descoperirea lui Hall, cercetătorii au descoperit, de asemenea, că pot face măsurători ale efectului Hall cu lumină - experimente numite photo-Hall, vezi Figura 1b. În astfel de experimente, iluminarea luminii generează mai mulți purtători, sau perechi electron-gaură, în semiconductori. Din păcate, înțelegerea noastră a efectului Hall de bază a oferit o perspectivă numai asupra purtătorilor de taxe majoritari (sau majoritari). Cercetătorii nu au reușit să extragă parametrii din ambele medii (major și non-major) simultan. Astfel de informații sunt cheie pentru multe aplicații legate de lumină, cum ar fi panourile solare și alte dispozitive optoelectronice.
Studiu revistei IBM Research dezvăluie unul dintre secretele de mult păstrate ale efectului Hall. Cercetătorii de la Institutul Avansat de Știință și Tehnologie din Coreea (KAIST), Institutul de Cercetare din Coreea de Tehnologie Chimică (KRICT), Universitatea Duke și IBM au descoperit o nouă formulă și tehnică care ne permite să extragem simultan informații despre elementele de bază și nebază. purtători, cum ar fi concentrația și mobilitatea acestora, precum și obținerea de informații suplimentare despre durata de viață a purtătorului, lungimea difuziei și procesul de recombinare.
Mai precis, într-un experiment foto-Hall, ambii purtători contribuie la modificări ale conductibilității (σ) și ale coeficientului Hall (H, proporțional cu raportul dintre tensiunea Hall și câmpul magnetic). Informații cheie provin din măsurarea conductibilității și a coeficientului Hall în funcție de intensitatea luminii. Ascunsă în forma curbei coeficientului conductivitate-Hall (σ-H) arată informații fundamental noi: diferența de mobilitate a ambilor purtători. După cum sa discutat în articol, această relație poate fi exprimată elegant:
$$afisare$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$afisare$$
Pornind de la o densitate cunoscută a purtătorului majoritar dintr-o măsurătoare tradițională Hall în întuneric, putem dezvălui mobilitatea și densitatea purtătorilor majoritari și minoritari în funcție de intensitatea luminii. Echipa a numit noua metodă de măsurare: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Cu o intensitate cunoscută a iluminării luminii, durata de viață a suportului poate fi determinată într-un mod similar. Această legătură și soluțiile sale au fost ascunse de aproape un secol și jumătate de la descoperirea efectului Hall.
Pe lângă progresele în această înțelegere teoretică, progresele în metodele experimentale sunt, de asemenea, esențiale pentru a permite această nouă metodă. Metoda necesită o măsurare pură a semnalului Hall, care poate fi dificilă pentru materialele în care semnalul Hall este slab (de exemplu, din cauza mobilității reduse) sau când sunt prezente semnale suplimentare nedorite, ca în cazul iradierii puternice a luminii. Pentru a face acest lucru, este necesar să se efectueze o măsurătoare Hall folosind un câmp magnetic oscilant. La fel ca atunci când ascultați radioul, trebuie să selectați frecvența postului dorit, eliminând toate celelalte frecvențe care acționează ca zgomot. Metoda CRPH merge cu un pas mai departe și selectează nu numai frecvența dorită, ci și faza câmpului magnetic oscilant folosind o metodă numită detecție sincronă. Acest concept de măsurare Hall oscilante este cunoscut de mult, dar metoda tradițională de utilizare a unui sistem de bobine electromagnetice pentru a genera un câmp magnetic oscilant a fost ineficientă.
Descoperire anterioară
Așa cum se întâmplă adesea în știință, progresele într-un domeniu sunt determinate de descoperirile din altul. În 2015, IBM Research a raportat un fenomen necunoscut anterior în fizică asociat cu un nou efect de izolare a câmpului magnetic numit efectul „cocoașă de cămilă”, care apare între două linii de dipoli transversali atunci când depășesc o lungime critică, așa cum se arată în Figura 2a. Efectul este o caracteristică cheie care permite un nou tip de capcană magnetică naturală numită capcană de linie dipol paralelă (capcană PDL), așa cum se arată în Figura 2b. Capcana magnetică PDL poate fi utilizată ca o platformă nouă pentru o varietate de aplicații de detectare, cum ar fi tiltmetru, seismometru (senzor de cutremur). Astfel de noi sisteme de senzori, cuplate cu tehnologiile de date mari, ar putea deschide multe aplicații noi și sunt explorate de echipa IBM Research care dezvoltă o platformă de analiză a datelor mari numită IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), care conține o mulțime de informații geospațiale. și datele Internet of Things (IoT).
În mod surprinzător, același element PDL are o altă aplicație unică. Când este rotit, servește ca un sistem de experiment foto-Hall ideal pentru a obține o oscilație armonică unidirecțională și pură a câmpului magnetic (Figura 2c). Mai important, sistemul oferă suficient spațiu pentru a permite iluminarea unei zone extinse a probei, ceea ce este critic în experimentele photo-Hall.
Efect
Noua metodă de photo-hall pe care am dezvoltat-o ne permite să extragem o cantitate uimitoare de informații din semiconductori. Spre deosebire de doar trei parametri obținuți în măsurarea clasică Hall, această nouă metodă furnizează până la șapte parametri la fiecare dintre intensitățile luminii testate. Aceasta include mobilitatea atât a electronilor, cât și a găurilor; concentrația purtătorului lor sub influența luminii; durata de viață de recombinare; și lungimea difuziei pentru electroni, găuri și tipuri ambipolare. Toate acestea pot fi repetate de N ori (adică numărul de parametri de intensitate a luminii utilizați în experiment).
Această nouă descoperire și tehnologie va ajuta la avansarea progreselor semiconductoarelor atât în tehnologiile existente, cât și în cele emergente. Acum avem cunoștințele și instrumentele necesare pentru a extrage în detaliu caracteristicile fizice ale materialelor semiconductoare. De exemplu, va ajuta la accelerarea dezvoltării tehnologiei semiconductoare de ultimă generație, cum ar fi panouri solare mai bune, dispozitive optoelectronice mai bune și noi materiale și dispozitive pentru tehnologiile de inteligență artificială.
articol publicat pe 7 octombrie 2019 în .
Traducere: Nikolay Marin (), Chief Technology Officer IBM în Rusia și țările CSI.
Sursa: www.habr.com