แปลบทความโดยผู้เขียนจาก IBM Research
ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวิชาฟิสิกส์จะทำให้เราสามารถศึกษาลักษณะทางกายภาพของเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างละเอียดมากขึ้น สิ่งนี้อาจช่วยเร่งการพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ยุคหน้า
ผู้เขียน:
— พนักงานฝ่ายวิจัยของไอบีเอ็ม
Doug Bishop - วิศวกรกำหนดคุณลักษณะ, IBM Research
เซมิคอนดักเตอร์เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของยุคอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลในปัจจุบัน ทำให้เรามีอุปกรณ์ที่หลากหลายซึ่งเป็นประโยชน์ต่อชีวิตสมัยใหม่ของเรา เช่น คอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน และอุปกรณ์เคลื่อนที่อื่นๆ การปรับปรุงฟังก์ชันและประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์ยังช่วยให้สามารถใช้งานเซมิคอนดักเตอร์เจเนอเรชั่นถัดไปในด้านการประมวลผล การตรวจจับ และการแปลงพลังงาน นักวิจัยได้ต่อสู้ดิ้นรนมานานแล้วเพื่อเอาชนะข้อจำกัดในความสามารถของเราในการทำความเข้าใจประจุอิเล็กทรอนิกส์ภายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงที่ขัดขวางความสามารถของเราในการก้าวไปข้างหน้า
ในการศึกษาใหม่ในวารสาร ความร่วมมือด้านการวิจัยที่นำโดย IBM Research อธิบายถึงความก้าวหน้าอันน่าตื่นเต้นในการไขปริศนาฟิสิกส์อายุ 140 ปี ซึ่งจะช่วยให้เราสามารถศึกษาลักษณะทางกายภาพของเซมิคอนดักเตอร์ได้ละเอียดยิ่งขึ้น และทำให้สามารถพัฒนาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใหม่และปรับปรุงได้
เพื่อให้เข้าใจฟิสิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์อย่างแท้จริง อันดับแรกเราต้องเข้าใจคุณสมบัติพื้นฐานของตัวพาประจุภายในวัสดุ ไม่ว่าจะเป็นอนุภาคลบหรือบวก ความเร็วของพวกมันในสนามไฟฟ้าที่ใช้ และความหนาแน่นของพวกมันอัดแน่นอยู่ภายในวัสดุ นักฟิสิกส์ เอ็ดวิน ฮอลล์ ค้นพบวิธีการกำหนดคุณสมบัติเหล่านี้ในปี พ.ศ. 1879 เมื่อเขาค้นพบว่าสนามแม่เหล็กจะเบี่ยงเบนการเคลื่อนที่ของประจุอิเล็กตรอนภายในตัวนำ และสามารถวัดปริมาณการโก่งตัวได้เนื่องจากความต่างศักย์ที่ตั้งฉากกับการไหลของประจุในทิศทาง อนุภาคดังแสดงในรูปที่ 1a แรงดันไฟฟ้านี้เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าฮอลล์ เปิดเผยข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับตัวพาประจุในเซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงไม่ว่าจะเป็นอิเล็กตรอนเชิงลบหรือควอซิพาร์ติเคิลบวกที่เรียกว่า "โฮล" ความเร็วของพวกมันเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า หรือ "การเคลื่อนที่" ของพวกมัน (µ ) และความเข้มข้น (n) ภายในเซมิคอนดักเตอร์
ปริศนาอายุ 140 ปี
หลายทศวรรษหลังจากการค้นพบของฮอลล์ นักวิจัยยังได้ค้นพบว่าพวกเขาสามารถวัดเอฟเฟกต์ของฮอลล์ด้วยแสงได้ การทดลองที่เรียกว่าโฟโต-ฮอลล์ ดูรูปที่ 1b ในการทดลองดังกล่าว การส่องสว่างของแสงจะสร้างพาหะหลายตัวหรือคู่ของรูอิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์ น่าเสียดายที่ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ฮอลล์ขั้นพื้นฐานได้ให้ข้อมูลเชิงลึกเฉพาะผู้ให้บริการเรียกเก็บเงินส่วนใหญ่ (หรือส่วนใหญ่) เท่านั้น ผู้วิจัยไม่สามารถแยกพารามิเตอร์จากสื่อทั้งสอง (หลักและไม่ใช่หลัก) พร้อมกันได้ ข้อมูลดังกล่าวเป็นกุญแจสำคัญสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับแสง เช่น แผงโซลาร์เซลล์และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ
การศึกษานิตยสารไอบีเอ็มรีเสิร์ช เผยหนึ่งในความลับที่เก็บไว้มายาวนานของเอฟเฟกต์ฮอลล์ นักวิจัยจาก Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University และ IBM ได้ค้นพบสูตรและเทคนิคใหม่ที่ช่วยให้เราสามารถดึงข้อมูลเกี่ยวกับข้อมูลพื้นฐานและไม่ใช่ข้อมูลพื้นฐานไปพร้อมๆ กัน ตัวพา เช่น ความเข้มข้นและความคล่องตัว รวมถึงการได้รับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับอายุการใช้งานของตัวพา ความยาวการแพร่กระจาย และกระบวนการรวมตัวใหม่
โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทดลองโฟโตฮอลล์ พาหะทั้งสองมีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าการนำไฟฟ้า (σ) และค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์ (H ซึ่งแปรผันตามอัตราส่วนของแรงดันฮอลล์ต่อสนามแม่เหล็ก) ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญมาจากการวัดค่าการนำไฟฟ้าและค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์ซึ่งเป็นฟังก์ชันของความเข้มของแสง เส้นโค้งสัมประสิทธิ์ฮอลล์ที่ซ่อนอยู่ในรูปร่างของการนำไฟฟ้า (σ-H) แสดงข้อมูลพื้นฐานใหม่: ความแตกต่างในการเคลื่อนที่ของพาหะทั้งสอง ตามที่กล่าวไว้ในบทความ ความสัมพันธ์นี้สามารถแสดงออกมาได้อย่างสวยงาม:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
เริ่มต้นด้วยความหนาแน่นของพาหะส่วนใหญ่ที่ทราบจากการวัดฮอลล์แบบดั้งเดิมในที่มืด เราสามารถเปิดเผยความคล่องตัวและความหนาแน่นของพาหะทั้งส่วนใหญ่และส่วนน้อยเป็นฟังก์ชันของความเข้มของแสง ทีมงานตั้งชื่อวิธีการวัดใหม่ว่า Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH) ด้วยความเข้มของการส่องสว่างที่ทราบอยู่แล้ว อายุการใช้งานของตัวพาจึงสามารถกำหนดได้ในลักษณะเดียวกัน การเชื่อมต่อและวิธีแก้ปัญหานี้ถูกซ่อนไว้เป็นเวลาเกือบหนึ่งศตวรรษครึ่งนับตั้งแต่การค้นพบเอฟเฟกต์ฮอลล์
นอกเหนือจากความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจทางทฤษฎีแล้ว ความก้าวหน้าในวิธีการทดลองยังมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเปิดใช้งานวิธีการใหม่นี้ วิธีการนี้จำเป็นต้องมีการวัดสัญญาณ Hall เพียงอย่างเดียว ซึ่งอาจเป็นเรื่องยากสำหรับวัสดุที่สัญญาณ Hall อ่อน (เช่น เนื่องจากความคล่องตัวต่ำ) หรือเมื่อมีสัญญาณที่ไม่ต้องการเพิ่มเติม เช่นเดียวกับการฉายรังสีแสงที่แรง ในการดำเนินการนี้ จำเป็นต้องทำการวัดฮอลล์โดยใช้สนามแม่เหล็กสั่น เช่นเดียวกับเมื่อฟังวิทยุ คุณต้องเลือกความถี่ของสถานีที่ต้องการ โดยละทิ้งความถี่อื่นๆ ทั้งหมดที่ทำหน้าที่เป็นสัญญาณรบกวน วิธี CRPH ก้าวไปอีกขั้นหนึ่งและไม่เพียงแต่เลือกความถี่ที่ต้องการเท่านั้น แต่ยังเลือกเฟสของสนามแม่เหล็กที่สั่นด้วยโดยใช้วิธีที่เรียกว่าการตรวจจับแบบซิงโครนัส แนวคิดของการวัดฮอลล์แบบสั่นนี้เป็นที่รู้จักกันมานานแล้ว แต่วิธีการดั้งเดิมในการใช้ระบบขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแบบสั่นนั้นไม่ได้ผล
การค้นพบครั้งก่อน
เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นบ่อยในทางวิทยาศาสตร์ ความก้าวหน้าในด้านหนึ่งถูกขับเคลื่อนโดยการค้นพบในอีกด้านหนึ่ง ในปี 2015 IBM Research รายงานปรากฏการณ์ที่ไม่รู้จักก่อนหน้านี้ในฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์การกักขังสนามแม่เหล็กใหม่ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ "camel hump" ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างไดโพลตามขวางสองเส้นเมื่อพวกมันเกินความยาววิกฤต ดังแสดงในรูปที่ 2a ผลกระทบนี้เป็นคุณลักษณะสำคัญที่ช่วยให้เกิดกับดักแม่เหล็กตามธรรมชาติชนิดใหม่ที่เรียกว่ากับดักเส้นไดโพลแบบขนาน (กับดัก PDL) ดังแสดงในรูปที่ 2b Magnetic PDL trap สามารถใช้เป็นแพลตฟอร์มใหม่สำหรับการใช้งานการตรวจจับที่หลากหลาย เช่น เครื่องวัดความเอียง เครื่องวัดแผ่นดินไหว (เซ็นเซอร์แผ่นดินไหว) ระบบเซ็นเซอร์ใหม่ดังกล่าว ควบคู่ไปกับเทคโนโลยีข้อมูลขนาดใหญ่ สามารถเปิดแอปพลิเคชันใหม่ๆ ได้มากมาย และกำลังได้รับการสำรวจโดยทีมวิจัยของ IBM ที่กำลังพัฒนาแพลตฟอร์มการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ที่เรียกว่า IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) ซึ่งประกอบด้วยข้อมูลเชิงพื้นที่มากมาย และข้อมูลอินเทอร์เน็ตออฟธิงส์ (IoT)
น่าแปลกที่องค์ประกอบ PDL เดียวกันนั้นมีแอปพลิเคชันอื่นที่ไม่เหมือนใคร เมื่อหมุน จะทำหน้าที่เป็นระบบการทดลองโฟโตฮอลล์ในอุดมคติเพื่อให้ได้การสั่นของสนามแม่เหล็กแบบฮาร์มอนิกในทิศทางเดียวและบริสุทธิ์ (รูปที่ 2c) ที่สำคัญกว่านั้นคือระบบมีพื้นที่เพียงพอที่จะให้แสงสว่างเป็นบริเวณกว้างของตัวอย่าง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการทดลองในห้องถ่ายภาพ
ส่งผลกระทบ
วิธีการโฟโต้ฮอลล์แบบใหม่ที่เราพัฒนาขึ้นทำให้สามารถดึงข้อมูลจำนวนมหาศาลจากเซมิคอนดักเตอร์ได้ ตรงกันข้ามกับพารามิเตอร์เพียง 3 ตัวที่ได้รับในการวัดฮอลล์แบบคลาสสิก วิธีการใหม่นี้ให้ผลลัพธ์ได้ถึง 7 พารามิเตอร์ในแต่ละความเข้มของแสงที่ทดสอบ ซึ่งรวมถึงการเคลื่อนที่ของทั้งอิเล็กตรอนและรู ความเข้มข้นของพาหะภายใต้อิทธิพลของแสง อายุการใช้งานการรวมตัวกันใหม่ และความยาวการแพร่กระจายของอิเล็กตรอน รู และชนิดแอมโพลาร์ ทั้งหมดนี้สามารถทำซ้ำได้ N ครั้ง (เช่น จำนวนพารามิเตอร์ความเข้มแสงที่ใช้ในการทดลอง)
การค้นพบและเทคโนโลยีใหม่นี้จะช่วยพัฒนาความก้าวหน้าของเซมิคอนดักเตอร์ในเทคโนโลยีที่มีอยู่และที่เกิดขึ้นใหม่ ขณะนี้เรามีความรู้และเครื่องมือที่จำเป็นในการดึงคุณลักษณะทางกายภาพของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์โดยละเอียด ตัวอย่างเช่น จะช่วยเร่งการพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ยุคหน้า เช่น แผงโซลาร์เซลล์ที่ดีขึ้น อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีขึ้น และวัสดุและอุปกรณ์ใหม่สำหรับเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์
บทความที่เผยแพร่เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม 2019 ใน .
แปล: นิโคไล มาริน (), ประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายเทคโนโลยีของ IBM ในรัสเซียและกลุ่มประเทศ CIS
ที่มา: will.com