Preklad článku od autorov z IBM Research.
Dôležitý prielom vo fyzike nám umožní študovať fyzikálne vlastnosti polovodičov oveľa podrobnejšie. To môže pomôcť urýchliť vývoj polovodičovej technológie novej generácie.
Autori:
— Zamestnanec, IBM Research
Doug Bishop - Charakterizačný inžinier, IBM Research
Polovodiče sú základnými stavebnými kameňmi dnešnej digitálnej elektronickej doby a poskytujú nám množstvo zariadení, ktoré sú prospešné pre náš moderný život, ako sú počítače, smartfóny a iné mobilné zariadenia. Zlepšenia funkčnosti a výkonu polovodičov tiež umožňujú polovodičové aplikácie novej generácie v oblasti výpočtovej techniky, snímania a premeny energie. Výskumníci sa dlho snažili prekonať obmedzenia našej schopnosti plne porozumieť elektronickým nábojom vo vnútri polovodičových zariadení a pokročilých polovodičových materiáloch, ktoré brzdia našu schopnosť posunúť sa vpred.
V novej štúdii v časopise Výskumná spolupráca vedená IBM Research popisuje vzrušujúci prelom v riešení 140-ročnej záhady fyziky, ktorá nám umožní študovať fyzikálne charakteristiky polovodičov oveľa podrobnejšie a umožní vývoj nových a vylepšených polovodičových materiálov.
Aby sme skutočne pochopili fyziku polovodičov, musíme najprv pochopiť základné vlastnosti nosičov náboja v materiáloch, či už sú to negatívne alebo pozitívne častice, ich rýchlosť v aplikovanom elektrickom poli a ako husto sú zabalené v materiáli. Fyzik Edwin Hall našiel spôsob, ako určiť tieto vlastnosti v roku 1879, keď zistil, že magnetické pole odkloní pohyb elektrónových nábojov vo vodiči a že veľkosť vychýlenia možno merať ako rozdiel potenciálov kolmý na smerový tok náboja. častice, ako je znázornené na obrázku 1a. Toto napätie, známe ako Hallovo napätie, odhaľuje významné informácie o nosičoch náboja v polovodiči, vrátane toho, či sú to záporné elektróny alebo kladné kvázičastice nazývané „diery“, ako rýchlo sa pohybujú v elektrickom poli alebo ich „mobilita“ (µ ), a ich koncentrácia (n) vo vnútri polovodiča.
140-ročná záhada
Desaťročia po Hallovom objave výskumníci tiež zistili, že môžu robiť merania Hallovho efektu pomocou svetla – experimenty nazývané photo-Hall, pozri obrázok 1b. V takýchto experimentoch svetelné osvetlenie generuje viac nosičov alebo párov elektrón-diera v polovodičoch. Bohužiaľ, naše pochopenie základného Hallovho efektu poskytlo pohľad iba na väčšinu (alebo väčšinu) nosičov náboja. Výskumníci neboli schopní extrahovať parametre z oboch médií (hlavných aj menej významných) súčasne. Takéto informácie sú kľúčové pre mnohé aplikácie súvisiace so svetlom, ako sú solárne panely a iné optoelektronické zariadenia.
Štúdia časopisu IBM Research odhaľuje jedno z dlho strážených tajomstiev Hallovho efektu. Výskumníci z Kórejského pokročilého vedeckého a technologického inštitútu (KAIST), Kórejského výskumného inštitútu chemickej technológie (KRICT), Duke University a IBM objavili nový vzorec a techniku, ktorá nám umožňuje súčasne extrahovať informácie o základných a nezákladných nosičov, ako je ich koncentrácia a pohyblivosť, ako aj získať ďalšie informácie o životnosti nosiča, dĺžke difúzie a procese rekombinácie.
Konkrétnejšie, vo foto-Hallovom experimente oba nosiče prispievajú k zmenám vodivosti (σ) a Hallovho koeficientu (H, úmerný pomeru Hallovho napätia k magnetickému poľu). Kľúčové poznatky pochádzajú z merania vodivosti a Hallovho koeficientu ako funkcie intenzity svetla. Skrytá v tvare krivky vodivosti-Hallov koeficient (σ-H) ukazuje zásadne novú informáciu: rozdiel v pohyblivosti oboch nosičov. Ako je uvedené v článku, tento vzťah možno vyjadriť elegantne:
$$displej$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$displej$$
Počnúc známou hustotou väčšinového nosiča z tradičného Hallovho merania v tme môžeme odhaliť mobilitu a hustotu väčšinového aj menšinového nosiča ako funkciu intenzity svetla. Tím nazval novú metódu merania: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Pri známej intenzite osvetlenia svetla sa dá životnosť nosiča stanoviť podobným spôsobom. Toto spojenie a jeho riešenia boli skryté takmer jeden a pol storočia od objavenia Hallovho efektu.
Okrem pokroku v tomto teoretickom chápaní sú na umožnenie tejto novej metódy rozhodujúce aj pokroky v experimentálnych metódach. Metóda vyžaduje čisté meranie Hallovho signálu, čo môže byť náročné pre materiály, kde je Hallov signál slabý (napríklad z dôvodu nízkej pohyblivosti) alebo keď sú prítomné ďalšie nežiaduce signály, ako pri silnom ožiarení svetlom. K tomu je potrebné vykonať Hallovo meranie pomocou oscilujúceho magnetického poľa. Rovnako ako pri počúvaní rádia je potrebné zvoliť frekvenciu požadovanej stanice, pričom všetky ostatné frekvencie, ktoré pôsobia ako šum, zahodíte. Metóda CRPH ide ešte o krok ďalej a vyberá nielen požadovanú frekvenciu, ale aj fázu oscilujúceho magnetického poľa pomocou metódy nazývanej synchrónne snímanie. Tento koncept oscilačného Hallovho merania je už dlho známy, ale tradičný spôsob použitia systému elektromagnetických cievok na generovanie oscilujúceho magnetického poľa bol neúčinný.
Predchádzajúci objav
Ako sa vo vede často stáva, pokroky v jednej oblasti sú poháňané objavmi v inej. V roku 2015 spoločnosť IBM Research oznámila predtým neznámy jav vo fyzike spojený s novým efektom obmedzenia magnetického poľa nazývaným efekt „ťavieho hrbu“, ktorý sa vyskytuje medzi dvoma líniami priečnych dipólov, keď prekročia kritickú dĺžku, ako je znázornené na obrázku 2a. Tento efekt je kľúčovou vlastnosťou, ktorá umožňuje nový typ prirodzenej magnetickej pasce nazývanej pasca s paralelným dipólom (PDL pasca), ako je znázornené na obrázku 2b. Magnetický lapač PDL môže byť použitý ako nová platforma pre rôzne snímacie aplikácie, ako je tiltmeter, seizmometer (senzor zemetrasenia). Takéto nové senzorové systémy v spojení s technológiami veľkých dát by mohli otvoriť mnoho nových aplikácií a skúma ich tím IBM Research, ktorý vyvíja platformu na analýzu veľkých dát s názvom IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), ktorá obsahuje množstvo geopriestorových a dáta internetu vecí (IoT).
Prekvapivo, rovnaký prvok PDL má ďalšiu unikátnu aplikáciu. Keď sa otáča, slúži ako ideálny foto-Hallov experimentálny systém na získanie jednosmernej a čistej harmonickej oscilácie magnetického poľa (obrázok 2c). Ešte dôležitejšie je, že systém poskytuje dostatok priestoru na osvetlenie širokej oblasti vzorky, čo je kritické pri experimentoch s fotohalou.
Účinok
Nová metóda fotosály, ktorú sme vyvinuli, nám umožňuje extrahovať úžasné množstvo informácií z polovodičov. Na rozdiel od iba troch parametrov získaných pri klasickom Hallovom meraní táto nová metóda poskytuje až sedem parametrov pri každej z testovaných intenzít svetla. To zahŕňa mobilitu elektrónov aj dier; koncentrácia ich nosiča pod vplyvom svetla; životnosť rekombinácie; a difúzna dĺžka pre elektróny, diery a ambipolárne typy. Toto všetko je možné N-krát zopakovať (t.j. počet parametrov intenzity svetla použitých v experimente).
Tento nový objav a technológia pomôže posunúť pokrok v oblasti polovodičov v existujúcich aj nových technológiách. Teraz máme znalosti a nástroje potrebné na extrahovanie fyzikálnych charakteristík polovodičových materiálov veľmi podrobne. Pomôže napríklad urýchliť vývoj polovodičovej technológie novej generácie, ako sú lepšie solárne panely, lepšie optoelektronické zariadenia a nové materiály a zariadenia pre technológie umelej inteligencie.
článok uverejnený 7. októbra 2019 v .
Preklad: Nikolaj Marin (), technologický riaditeľ IBM v Rusku a krajinách SNŠ.
Zdroj: hab.com