Разоткривање 140 година старе тајне физике

Превод чланка аутора из ИБМ Ресеарцх-а.

Важан напредак у физици омогућиће нам да проучавамо физичке карактеристике полупроводника много детаљније. Ово може помоћи да се убрза развој технологије полупроводника следеће генерације.

Аутори:
Оки Гунаван — Члан особља, ИБМ Ресеарцх
Доуг Бисхоп - инжењер карактеризације, ИБМ Ресеарцх

Полупроводници су основни градивни блокови данашњег дигиталног електронског доба, који нам пружају низ уређаја који користе нашим савременим животима, као што су рачунари, паметни телефони и други мобилни уређаји. Побољшања у функционалности и перформансама полупроводника такође омогућавају нове генерације полупроводничких апликација у рачунарству, сензорима и конверзији енергије. Истраживачи су се дуго борили да превазиђу ограничења у нашој способности да у потпуности разумемо електронска наелектрисања унутар полупроводничких уређаја и напредних полупроводничких материјала који коче нашу способност да идемо напред.

У новој студији у часопису Природа Истраживачка сарадња коју води ИБМ Ресеарцх описује узбудљив пробој у решавању 140 година старе мистерије у физици, који ће нам омогућити да проучавамо физичке карактеристике полупроводника много детаљније и омогућити развој нових и побољшаних полупроводничких материјала.

Да бисмо истински разумели физику полупроводника, прво морамо разумети фундаментална својства носилаца наелектрисања унутар материјала, било да су негативне или позитивне честице, њихову брзину у примењеном електричном пољу и колико су густо упаковане у материјал. Физичар Едвин Хол је пронашао начин да одреди ова својства 1879. године када је открио да ће магнетно поље одбити кретање наелектрисања електрона унутар проводника и да се количина скретања може измерити као разлика потенцијала окомита на усмерени ток наелектрисања. честице, као што је приказано на слици 1а. Овај напон, познат као Холов напон, открива значајне информације о носиоцима наелектрисања у полупроводнику, укључујући да ли су негативни електрони или позитивне квазичестице које се називају „рупе“, колико се брзо крећу у електричном пољу или њихову „мобилност“ (µ ) , и њихова концентрација (н) унутар полупроводника.

140 година стара мистерија

Деценијама након Холовог открића, истраживачи су такође открили да могу да врше мерења Холовог ефекта помоћу светлости - експерименти који се називају фото-Хол, видети слику 1б. У таквим експериментима, светлосно осветљење генерише више носача, или парова електрон-рупа, у полупроводницима. Нажалост, наше разумевање основног Холовог ефекта пружило је увид само у већину (или већинске) носиоце набоја. Истраживачи нису били у могућности да издвоје параметре из оба медија (главног и не-главног) истовремено. Такве информације су кључне за многе апликације у вези са светлом, као што су соларни панели и други оптоелектронски уређаји.

Студија часописа ИБМ Ресеарцх Природа открива једну од дуго чуваних тајни Холовог ефекта. Истраживачи са Корејског напредног института за науку и технологију (КАИСТ), Корејског истраживачког института за хемијску технологију (КРИЦТ), Универзитета Дуке и ИБМ-а открили су нову формулу и технику која нам омогућава да истовремено извучемо информације о основним и неосновним носилаца, као што су њихова концентрација и покретљивост, као и добијање додатних информација о животном веку носиоца, дужини дифузије и процесу рекомбинације.

Тачније, у фото-Халовом експерименту, оба носиоца доприносе променама у проводљивости (σ) и Холовом коефицијенту (Х, пропорционално односу напона Хола и магнетног поља). Кључни увиди потичу из мерења проводљивости и Холовог коефицијента као функције интензитета светлости. Сакривена у облику криве проводљивости-Холовог коефицијента (σ-Х) показује фундаментално нову информацију: разлику у покретљивости оба носиоца. Као што је објашњено у чланку, овај однос се може елегантно изразити:

$$дисплаи$$ Δµ = д (σ²Х)/дσ$$дисплаи$$

Почевши од познате густине већинског носиоца из традиционалног Холовог мерења у мраку, можемо открити мобилност и густину већинског и мањинског носиоца као функцију интензитета светлости. Тим је назвао нову методу мерења: фото-сала са решењем носиоца (ЦРПХ). Са познатим интензитетом светлосног осветљења, животни век носача се може утврдити на сличан начин. Ова веза и њена решења били су скривени скоро век и по од открића Холовог ефекта.

Осим напретка у овом теоријском разумевању, напредак у експерименталним методама је такође критичан да би се омогућио овај нови метод. Метода захтева чисто мерење Холовог сигнала, што може бити тешко за материјале где је Холов сигнал слаб (на пример, због мале покретљивости) или када су присутни додатни нежељени сигнали, као код јаког светлосног зрачења. Да бисте то урадили, потребно је извршити Халово мерење помоћу осцилационог магнетног поља. Као и када слушате радио, потребно је да изаберете фреквенцију жељене станице, одбацујући све остале фреквенције које делују као шум. ЦРПХ метода иде корак даље и бира не само жељену фреквенцију већ и фазу осцилирајућег магнетног поља користећи метод који се зове синхрони сенсинг. Овај концепт осцилационог Холовог мерења је одавно познат, али традиционална метода коришћења система електромагнетних калемова за генерисање осцилационог магнетног поља била је неефикасна.

Претходно откриће

Као што се често дешава у науци, напредак у једној области је вођен открићима у другој. У 2015. години, ИБМ Ресеарцх је известио о раније непознатом феномену у физици повезан са новим ефектом ограничавања магнетног поља који се зове ефекат „камиље грбе“, који се јавља између две линије попречних дипола када прелазе критичну дужину, као што је приказано на слици 2а. Ефекат је кључна карактеристика која омогућава нову врсту природне магнетне замке која се назива замка паралелне диполне линије (ПДЛ трап), као што је приказано на слици 2б. Магнетна ПДЛ замка се може користити као нова платформа за разне апликације сензора као што су нагиб метар, сеизмометар (сензор земљотреса). Такви нови сензорски системи, заједно са технологијама великих података, могли би да отворе многе нове апликације, а истражује их ИБМ истраживачки тим који развија платформу за анализу великих података под називом ИБМ Пхисицал Аналитицс Интегратед Репоситори Сервице (ПАИРС), која садржи мноштво геопросторних података. и податке о Интернету ствари (ИоТ).

Изненађујуће, исти ПДЛ елемент има још једну јединствену апликацију. Када се ротира, служи као идеалан фото-Халов експериментални систем за добијање једносмерне и чисте хармонијске осцилације магнетног поља (слика 2ц). Што је још важније, систем пружа довољно простора да омогући осветљење широког подручја узорка, што је критично у фото-Халл експериментима.

Удар

Нова метода фото-хола коју смо развили омогућава нам да из полупроводника извучемо невероватну количину информација. За разлику од само три параметра добијена у класичном Холовом мерењу, ова нова метода даје до седам параметара при сваком од тестираних интензитета светлости. Ово укључује покретљивост и електрона и рупа; концентрација њиховог носача под утицајем светлости; животни век рекомбинације; и дужина дифузије за електроне, рупе и амбиполарне типове. Све ово се може поновити Н пута (тј. број параметара интензитета светлости коришћених у експерименту).

Ово ново откриће и технологија ће помоћи да се унапреди напредак полупроводника у постојећим и новим технологијама. Сада имамо знање и алате потребне за екстракцију физичких карактеристика полупроводничких материјала до веома детаља. На пример, то ће помоћи да се убрза развој технологије полупроводника следеће генерације, као што су бољи соларни панели, бољи оптоелектронски уређаји и нови материјали и уређаји за технологије вештачке интелигенције.

Оригинал чланак објављен 7 ИБМ Ресеарцх блог.
Превод: Николај Марин (НиколаиМарин), главни технолошки директор ИБМ-а у Русији и земљама ЗНД.

Извор: ввв.хабр.цом