Prevod članka avtorjev iz IBM Research.
Pomemben preboj v fiziki nam bo omogočil veliko bolj podrobno preučevanje fizikalnih značilnosti polprevodnikov. To lahko pomaga pospešiti razvoj polprevodniške tehnologije naslednje generacije.
Avtorji:
— Član osebja, IBM Research
Doug Bishop – inženir karakterizacije, IBM Research
Polprevodniki so osnovni gradniki današnje digitalne elektronske dobe, ki nam zagotavljajo različne naprave, ki koristijo našemu sodobnemu življenju, kot so računalniki, pametni telefoni in druge mobilne naprave. Izboljšave v funkcionalnosti in zmogljivosti polprevodnikov prav tako omogočajo uporabo polprevodnikov naslednje generacije v računalništvu, zaznavanju in pretvorbi energije. Raziskovalci so se dolgo trudili premagati omejitve naše zmožnosti, da bi popolnoma razumeli elektronske naboje v polprevodniških napravah in naprednih polprevodniških materialih, ki zavirajo našo sposobnost napredovanja.
V novi študiji v reviji Raziskovalno sodelovanje, ki ga vodi IBM Research, opisuje vznemirljiv preboj pri reševanju 140-letne skrivnosti v fiziki, ki nam bo omogočil veliko bolj podrobno preučevanje fizikalnih značilnosti polprevodnikov in omogočil razvoj novih in izboljšanih polprevodniških materialov.
Da bi resnično razumeli fiziko polprevodnikov, moramo najprej razumeti temeljne lastnosti nosilcev naboja v materialih, ali so negativni ali pozitivni delci, njihovo hitrost v uporabljenem električnem polju in kako gosto so zapakirani v material. Fizik Edwin Hall je našel način za določitev teh lastnosti leta 1879, ko je odkril, da bo magnetno polje odklonilo gibanje nabojev elektronov znotraj prevodnika in da je količino odklona mogoče izmeriti kot potencialno razliko, pravokotno na smer toka nabitega delcev, kot je prikazano na sliki 1a. Ta napetost, znana kot Hallova napetost, razkriva pomembne informacije o nosilcih naboja v polprevodniku, vključno s tem, ali so negativni elektroni ali pozitivni kvazidelci, imenovani "luknje", kako hitro se premikajo v električnem polju ali njihovo "gibljivost" (µ ) in njihovo koncentracijo (n) znotraj polprevodnika.
140 let stara skrivnost
Desetletja po Hallovem odkritju so raziskovalci odkrili tudi, da lahko izvajajo meritve Hallovega učinka s svetlobo – poskusi, imenovani foto-Hall, glej sliko 1b. V takih poskusih svetlobna osvetlitev ustvari več nosilcev ali parov elektron-luknja v polprevodnikih. Na žalost je naše razumevanje osnovnega Hallovega učinka omogočilo vpogled le v večino (ali večino) nosilcev naboja. Raziskovalci niso mogli izluščiti parametrov iz obeh medijev (glavnih in nepomembnih) hkrati. Takšne informacije so ključne za številne aplikacije, povezane s svetlobo, kot so sončne celice in druge optoelektronske naprave.
Študija revije IBM Research razkriva eno od dolgo varovanih skrivnosti Hallovega učinka. Raziskovalci iz Korejskega naprednega inštituta za znanost in tehnologijo (KAIST), Korejskega raziskovalnega inštituta za kemijsko tehnologijo (KRICT), Univerze Duke in IBM so odkrili novo formulo in tehniko, ki nam omogoča istočasno pridobivanje informacij o osnovnih in neosnovnih nosilcev, kot sta njihova koncentracija in mobilnost, ter pridobiti dodatne informacije o življenjski dobi nosilca, difuzijski dolžini in procesu rekombinacije.
Natančneje, v foto-Hallovem eksperimentu oba nosilca prispevata k spremembam prevodnosti (σ) in Hallovega koeficienta (H, sorazmeren z razmerjem med Hallovo napetostjo in magnetnim poljem). Ključni vpogledi izhajajo iz merjenja prevodnosti in Hallovega koeficienta kot funkcije jakosti svetlobe. Skrit v obliki krivulje prevodnosti-Hall-ovega koeficienta (σ-H) prikazuje bistveno novo informacijo: razliko v mobilnosti obeh nosilcev. Kot je razloženo v članku, je to razmerje mogoče elegantno izraziti:
$$prikaz$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$prikaz$$
Začenši z znano večinsko gostoto nosilca iz tradicionalne Hallove meritve v temi, lahko razkrijemo mobilnost in gostoto večinskega in manjšinskega nosilca kot funkcijo jakosti svetlobe. Ekipa je novo merilno metodo poimenovala: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Z znano intenzivnostjo svetlobne osvetlitve je mogoče na podoben način ugotoviti življenjsko dobo nosilca. Ta povezava in njene rešitve so bile od odkritja Hallovega učinka skrite skoraj stoletje in pol.
Poleg napredka v tem teoretičnem razumevanju je za omogočanje te nove metode ključnega pomena tudi napredek v eksperimentalnih metodah. Metoda zahteva čisto merjenje Hallovega signala, kar je lahko težavno pri materialih, kjer je Hallov signal šibek (na primer zaradi nizke mobilnosti) ali kadar so prisotni dodatni neželeni signali, kot pri močnem svetlobnem obsevanju. Za to je potrebno izvesti Hallovo meritev z uporabo nihajočega magnetnega polja. Tako kot pri poslušanju radia, morate izbrati frekvenco želene postaje, pri čemer zavržete vse ostale frekvence, ki delujejo kot šum. Metoda CRPH gre še korak dlje in izbere ne le želeno frekvenco, ampak tudi fazo nihajočega magnetnega polja z uporabo metode, imenovane sinhrono zaznavanje. Ta koncept nihajnega Hallovega merjenja je že dolgo znan, vendar je bila tradicionalna metoda uporabe sistema elektromagnetnih tuljav za ustvarjanje nihajočega magnetnega polja neučinkovita.
Prejšnje odkritje
Kot se pogosto zgodi v znanosti, napredek na enem področju poganjajo odkritja na drugem. Leta 2015 je IBM Research poročal o prej neznanem pojavu v fiziki, povezanem z novim učinkom omejitve magnetnega polja, imenovanim učinek »kamelje grbe«, ki se pojavi med dvema linijama prečnih dipolov, ko presežeta kritično dolžino, kot je prikazano na sliki 2a. Učinek je ključna lastnost, ki omogoča novo vrsto naravne magnetne pasti, imenovane past vzporedne dipolne linije (pasti PDL), kot je prikazano na sliki 2b. Magnetno past PDL je mogoče uporabiti kot novo platformo za različne aplikacije zaznavanja, kot so merilnik nagiba, seizmometer (senzor potresa). Takšni novi sistemi senzorjev, skupaj s tehnologijami za velike podatke, bi lahko odprli številne nove aplikacije in jih raziskuje skupina IBM Research, ki razvija platformo za analizo velikih podatkov, imenovano IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), ki vsebuje veliko geoprostorskih in podatkov interneta stvari (IoT).
Presenetljivo ima isti element PDL še eno edinstveno uporabo. Ko je zasukan, služi kot idealen foto-Hall eksperimentalni sistem za pridobitev enosmernega in čistega harmoničnega nihanja magnetnega polja (slika 2c). Še pomembneje je, da sistem zagotavlja dovolj prostora za osvetlitev širokega območja vzorca, kar je ključnega pomena pri foto-Hallovih poskusih.
Vpliv
Nova metoda fotodvorane, ki smo jo razvili, nam omogoča, da iz polprevodnikov izvlečemo neverjetno količino informacij. V nasprotju s samo tremi parametri, pridobljenimi pri klasičnih Hallovih meritvah, ta nova metoda daje do sedem parametrov pri vsaki od testiranih jakosti svetlobe. To vključuje mobilnost tako elektronov kot lukenj; koncentracija njihovega nosilca pod vplivom svetlobe; življenjska doba rekombinacije; in difuzijska dolžina za elektrone, luknje in ambipolarne vrste. Vse to je mogoče ponoviti N-krat (tj. število parametrov jakosti svetlobe, uporabljenih v poskusu).
To novo odkritje in tehnologija bosta pripomogla k napredku polprevodniškega napredka v obstoječih in nastajajočih tehnologijah. Zdaj imamo znanje in orodja, potrebna za zelo podrobno ekstrahiranje fizikalnih značilnosti polprevodniških materialov. Pomagal bo na primer pospešiti razvoj polprevodniške tehnologije naslednje generacije, kot so boljši solarni paneli, boljše optoelektronske naprave ter novi materiali in naprave za tehnologije umetne inteligence.
članek objavljen 7. oktobra 2019 v .
Prevod: Nikolaj Marin (), glavni tehnološki direktor IBM v Rusiji in državah CIS.
Vir: www.habr.com