Översättning av en artikel av författare från IBM Research.
Ett viktigt genombrott inom fysiken kommer att tillåta oss att studera de fysiska egenskaperna hos halvledare i mycket större detalj. Detta kan bidra till att påskynda utvecklingen av nästa generations halvledarteknologi.
Författare:
— Personalmedlem, IBM Research
Doug Bishop - Karakteriseringsingenjör, IBM Research
Halvledare är de grundläggande byggstenarna i dagens digitala elektroniska tidsålder och ger oss en mängd olika enheter som gynnar våra moderna liv, såsom datorer, smartphones och andra mobila enheter. Förbättringar av halvledarfunktionalitet och prestanda möjliggör också nästa generations halvledarapplikationer inom beräkning, avkänning och energiomvandling. Forskare har länge kämpat för att övervinna begränsningarna i vår förmåga att till fullo förstå de elektroniska laddningarna inuti halvledarenheter och avancerade halvledarmaterial som håller tillbaka vår förmåga att gå framåt.
I en ny studie i tidskriften Ett forskningssamarbete som leds av IBM Research beskriver ett spännande genombrott för att lösa ett 140 år gammalt mysterium inom fysiken, ett som kommer att göra det möjligt för oss att studera de fysiska egenskaperna hos halvledare i mycket större detalj och möjliggöra utvecklingen av nya och förbättrade halvledarmaterial.
För att verkligen förstå halvledarnas fysik måste vi först förstå de grundläggande egenskaperna hos laddningsbärare i material, oavsett om de är negativa eller positiva partiklar, deras hastighet i ett pålagt elektriskt fält och hur tätt de är packade i materialet. Fysikern Edwin Hall hittade ett sätt att bestämma dessa egenskaper 1879 när han upptäckte att ett magnetfält kommer att avböja rörelsen av elektronladdningar i en ledare, och att mängden avböjning kan mätas som potentialskillnaden vinkelrätt mot riktningsflödet av laddade partiklar, såsom visas i figur la. Denna spänning, känd som Hall-spänningen, avslöjar betydande information om laddningsbärarna i halvledaren, inklusive om de är negativa elektroner eller positiva kvasipartiklar som kallas "hål", hur snabbt de rör sig i ett elektriskt fält eller deras "rörlighet" (µ ), och deras koncentration (n) inuti halvledaren.
140 år gammalt mysterium
Årtionden efter Halls upptäckt upptäckte forskare också att de kunde göra mätningar av Hall-effekten med ljus – experiment som kallas foto-Hall, se figur 1b. I sådana experiment genererar ljusbelysning flera bärare, eller elektron-hål-par, i halvledare. Tyvärr har vår förståelse av den grundläggande Hall-effekten gett insikt i endast majoriteten (eller majoritetens) avgiftsbärare. Forskarna kunde inte extrahera parametrar från båda medierna (stora och icke-stora) samtidigt. Sådan information är nyckeln för många ljusrelaterade applikationer, såsom solpaneler och andra optoelektroniska enheter.
IBM Research magazine studie avslöjar en av Hall-effektens länge bevarade hemligheter. Forskare från Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University och IBM har upptäckt en ny formel och teknik som gör att vi samtidigt kan extrahera information om det grundläggande och icke-grundläggande bärare, såsom deras koncentration och rörlighet, samt få ytterligare information om bärarens livslängd, diffusionslängd och rekombinationsprocessen.
Mer specifikt, i ett foto-Hall-experiment bidrar båda bärarna till förändringar i konduktivitet (σ) och Hall-koefficient (H, proportionell mot förhållandet mellan Hall-spänningen och magnetfältet). Nyckelinsikter kommer från att mäta konduktivitet och Hall-koefficient som en funktion av ljusintensitet. Dold i formen av konduktivitet-Hall-koefficientkurvan (σ-H) visar fundamentalt ny information: skillnaden i rörligheten för båda bärarna. Som diskuteras i artikeln kan detta förhållande uttryckas elegant:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Med utgångspunkt från en känd majoritetsbärartäthet från en traditionell Hall-mätning i mörker kan vi avslöja för både majoritets- och minoritetsbärarrörlighet och densitet som en funktion av ljusintensiteten. Teamet döpte den nya mätmetoden: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Med en känd ljusintensitet kan bärarens livslängd fastställas på liknande sätt. Denna koppling och dess lösningar har varit dolda i nästan ett och ett halvt sekel sedan upptäckten av Hall-effekten.
Förutom framsteg i denna teoretiska förståelse är framsteg inom experimentella metoder också avgörande för att möjliggöra denna nya metod. Metoden kräver en ren mätning av Hall-signalen, vilket kan vara svårt för material där Hall-signalen är svag (till exempel på grund av låg rörlighet) eller när ytterligare oönskade signaler finns, som vid stark ljusbestrålning. För att göra detta är det nödvändigt att utföra en Hall-mätning med hjälp av ett oscillerande magnetfält. Precis som när du lyssnar på radio måste du välja frekvensen för den önskade stationen och kassera alla andra frekvenser som fungerar som brus. CRPH-metoden går ett steg längre och väljer inte bara önskad frekvens utan även fasen för det oscillerande magnetfältet med hjälp av en metod som kallas synkron avkänning. Detta koncept med oscillerande Hall-mätning har länge varit känt, men den traditionella metoden att använda ett system av elektromagnetiska spolar för att generera ett oscillerande magnetfält var ineffektivt.
Tidigare upptäckt
Som ofta händer inom vetenskapen drivs framsteg inom ett område av upptäckter inom ett annat. 2015 rapporterade IBM Research om ett tidigare okänt fenomen inom fysiken associerat med en ny magnetfältsinneslutningseffekt som kallas "kamelpuckel"-effekten, som uppstår mellan två linjer av tvärgående dipoler när de överskrider en kritisk längd, som visas i figur 2a. Effekten är en nyckelfunktion som möjliggör en ny typ av naturlig magnetfälla som kallas en parallell dipollinjefälla (PDL-fälla), som visas i figur 2b. Magnetisk PDL-fälla kan användas som en ny plattform för en mängd olika avkänningsapplikationer som lutningsmätare, seismometer (jordbävningssensor). Sådana nya sensorsystem, i kombination med big data-teknologier, kan öppna upp många nya applikationer, och utforskas av IBM Research-teamet som utvecklar en stordataanalysplattform kallad IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), som innehåller en mängd geospatial och Internet of Things-data (IoT).
Överraskande nog har samma PDL-element en annan unik applikation. När den roteras fungerar den som ett idealiskt foto-Hall-experimentsystem för att erhålla en enkelriktad och ren harmonisk svängning av magnetfältet (Figur 2c). Ännu viktigare är att systemet ger tillräckligt med utrymme för att tillåta belysning av ett brett område av provet, vilket är avgörande i photo-Hall-experiment.
Påverkan
Den nya fotohallsmetoden vi har utvecklat gör att vi kan extrahera en fantastisk mängd information från halvledare. I motsats till endast tre parametrar som erhållits i den klassiska Hall-mätningen, ger denna nya metod upp till sju parametrar vid var och en av de testade ljusintensiteterna. Detta inkluderar rörligheten för både elektroner och hål; koncentrationen av deras bärare under påverkan av ljus; rekombinationslivslängd; och diffusionslängd för elektroner, hål och ambipolära typer. Allt detta kan upprepas N gånger (dvs antalet ljusintensitetsparametrar som används i experimentet).
Den här nya upptäckten och teknologin kommer att hjälpa till att göra framsteg inom halvledarutvecklingen inom både befintlig och framväxande teknologi. Vi har nu kunskapen och verktygen som behövs för att extrahera de fysiska egenskaperna hos halvledarmaterial i detalj. Det kommer till exempel att hjälpa till att påskynda utvecklingen av nästa generations halvledarteknologi, såsom bättre solpaneler, bättre optoelektroniska enheter och nya material och enheter för artificiell intelligens.
artikel publicerad den 7 oktober 2019 i .
Översättning: Nikolay Marin (), Chief Technology Officer IBM i Ryssland och OSS-länderna.
Källa: will.com