Переклад статті авторів із IBM Research.
Важливий прорив у фізиці дозволить вивчити фізичні характеристики напівпровідників у значно більших подробицях. Можливо, це допоможе прискорити розвиток напівпровідникової технології наступного покоління.
Автори:
- Staff Member, IBM Research
Doug Bishop - Characterization Engineer, IBM Research
Напівпровідники є основними будівельними блоками сьогоднішньої цифрової, електронної повіки, забезпечуючи для нас різноманітність пристроїв, які приносять користь у наше сучасне життя, таких як комп'ютер, смартфони та інші мобільні пристрої. Поліпшення у функціональності та продуктивності напівпровідників дозволяють також забезпечувати застосування наступного покоління напівпровідників для обчислень, розпізнавань та перетворень енергії. Дослідники вже довго борються над подоланням обмежень нашої здатності повністю зрозуміти електронні заряди всередині напівпровідникових пристроїв та просунутих напівпровідникових матеріалів, що стримують нашу можливість рухатися вперед.
У новому дослідженні у журналі науково-дослідне співавторство, очолюване IBM Research, описує захоплюючий прорив у розкритті 140-річної таємниці у фізиці, що дозволить нам вивчити фізичні характеристики напівпровідників у набагато більших подробицях та забезпечити розвиток нових покращених напівпровідникових матеріалів.
Щоб дійсно зрозуміти фізику напівпровідників, ми повинні спочатку пізнати фундаментальні властивості носіїв заряду всередині матеріалів, чи це негативні частинки або позитивні, їх швидкість у прикладеному електричному полі і наскільки щільно вони упаковані в матеріалі. Фізик Едвін Холл знайшов спосіб визначати ці властивості в 1879, коли він виявив, що магнітне поле відхиляє рух електронних зарядів усередині провідника, і що величина відхилення може бути виміряна як різниця потенціалів перпендикулярна до спрямованого потоку заряджених частинок, як показано на малюнку Figure 1a. Ця напруга, відома як холівська напруга, відкриває значну інформацію про носії заряду в напівпровіднику, включаючи чи є вони негативними електронами або позитивними квазічастинками, званими "дірками", на скільки швидко вони рухаються в електричному полі, або їх "рухливість" (µ) , та їх концентрацію (n) усередині напівпровідника.
140-річна таємниця
Через десятиліття після відкриття Холла дослідники також виявили, що вони можуть проводити вимірювання ефекту Холла зі світлом - експерименти, які називають фото-Холл, див. малюнок Figure 1b. У подібних експериментах світлове освітлення генерує численні носії або пари електрон-дірки в напівпровідниках. На жаль, наше розуміння основного ефекту Холла забезпечувало осягнення лише основних носіїв заряду (або носіїв більшості). Дослідники були нездатні отримати параметри обох носіїв (основного і неосновного) одночасно. Подібна інформація є ключовою для багатьох програм, що стосуються світла, таких як сонячні панелі та інші оптоелектронні пристрої.
Дослідження IBM Research у журналі розкриває один із секретів ефекту Холла, що довго зберігаються. Дослідники з Корейського інституту передових технологій (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST), Корейського дослідницького інституту хімічних технологій (Korea Research Institute of Chemical Technology, KRICT), Дюкський університет (Duke University) та IBM виявили нову формулу та техніку, яка дозволяє нам одночасно витягувати інформацію про основний і неосноном носії, таку як їх концентрація і рухливість, так само як і отримати додаткові відомості про тривалість існування носія, дифузійну довжину і процес рекомбінації.
Конкретніше, в експерименті фото-Холл обидва носії сприяють змінам у провідності (σ) та коефіцієнті Холла (H, пропорційному співвідношенню напруги Холла до магнітного поля). Ключове розуміння походить від вимірювання провідності та коефіцієнта Холла як функції від інтенсивності світла. Приховане у формі кривої провідність-коефіцієнт Холла (σ-H) показує принципово нову інформацію: різницю в рухливості обох носіїв. Як обговорюється у статті, цей зв'язок може бути виражений елегантно:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Починаючи з відомої щільності носіїв більшості з традиційного виміру Холла у темряві, ми можемо розкрити як для більшості, так і для меншості рухливість та щільність носіїв як функцію від інтенсивності світла. Команда назвала новий вимірювальний метод: дозволений носієм фото-хол (Carrier-Resolved Photo Hall, CRPH). За відомої інтенсивності світлового освітлення термін існування носія може бути встановлений аналогічним чином. Цей зв'язок та пов'язані з нею рішення були приховані протягом майже півтора століття, з моменту відкриття ефекту Холла.
Окрім досягнень у цьому теоретичному розумінні, досягнення в експериментальних методах теж мають вирішальне значення для забезпечення цього нового методу. Метод вимагає чистого вимірювання сигналу Холла, яке може бути утруднено для матеріалів де сигнал Холла слабкий (наприклад, через низьку рухливість) або коли є додаткові небажані сигнали, як при сильному світловому опроміненні. Для цього необхідно виконати вимірювання Холла за допомогою магнітного поля, що коливається. Як і при прослуховуванні радіо, необхідно вибрати частоту потрібної станції, відкидаючи всі інші частоти, які діють шумом. Метод CRPH йде на крок вперед, і вибирає не тільки бажану частоту, але також і фазу магнітного поля коливається за методом, званим синхронне визначення. Ця концепція коливається вимірювання Холла (oscillating Hall measurement) була давно відома, але традиційний метод з використанням системи електромагнітних котушок, щоб згенерувати магнітне поле, що коливається, був неефективний.
Попереднє відкриття
Як часто трапляється в науці, просування в одній галузі спричинено відкриттями в іншій. У 2015 році IBM Research повідомив про раніше невідомий феномен у фізиці, пов'язаний з новим ефектом укладання магнітного поля, названий ефект "верблюжого горба", що відбувається між двома лініями поперечних диполів, коли вони перевищують критичну довжину, як показано на малюнку Figure 2a. Ефект є ключовою особливістю, яка забезпечує новий тип природної магнітної пастки, яка називається пасткою паралельного диполя (parallel dipole line trap, PDL trap), як показано на малюнку Figure 2b. Магнітна PDL-пастка може використовуватися як новітня платформа для різноманітних сенсорних додатків, таких як наклонометр, сейсмометр (датчик землетрусів). Подібні нові системи датчиків разом з технологіями великих даних можуть відкрити безліч нових додатків, і вивчаються командою IBM Research, яка розробляє платформу аналітики великих даних під назвою IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), що містить безліч геопросторових даних та даних інтернету речей Internet of Things (IoT).
Дивним чином, той самий PDL-елемент має й інше унікальне застосування. Коли обертається, він служить ідеальною системою для фото-хол експерименту, щоб отримувати односпрямоване і чисте гармонійне коливання магнітного поля (рисунок Figure 2c). Важливіше те, що система надає достатньо простору, щоб дозволити освітлення великого району зразка, що критично в експериментах фото-холу.
Вплив
Розроблений новий метод для фото-холу дозволяє нам отримувати дивовижний обсяг інформації з напівпровідників. На відміну від трьох параметрів, одержуваних у класичному Холловском вимірі, цей новий метод приносить до семи параметрів кожної з випробуваних інтенсивностей світла. Це включає рухливість як електронів, так і дірок; концентрацію їхнього носія під впливом світла; час життя рекомбінації; та довжину дифузії для електронів, дірок та амбіполярного типу. Все це може бути повторено N разів (тобто кількість параметрів інтенсивності світла, що використовується в експерименті).
Це нове відкриття та технологія допоможуть просунути напівпровідникові досягнення як у існуючих, так і в технологіях, що зароджуються. У нас тепер є знання та інструменти, необхідні для отримання фізичних характеристик напівпровідникових матеріалів з великою деталізацією. Наприклад, це допоможе прискорити розвиток напівпровідникової технології наступного покоління, таких як найкращі сонячні панелі, найкращі оптоелектронні прилади та нові матеріали та пристрої для технологій штучного інтелекту.
статті опубліковано 7-го жовтня 2019 року в .
Переклад: Микола Марін (), Chief Technology Officer IBM у Росії та країнах СНД.
Джерело: habr.com