Bản dịch một bài viết của các tác giả từ IBM Research.
Một bước đột phá quan trọng trong vật lý sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu các đặc tính vật lý của chất bán dẫn một cách chi tiết hơn nhiều. Điều này có thể giúp đẩy nhanh sự phát triển của công nghệ bán dẫn thế hệ tiếp theo.
Các tác giả:
— Nhân viên, Phòng nghiên cứu của IBM
Doug Bishop - Kỹ sư mô tả đặc tính, Nghiên cứu của IBM
Chất bán dẫn là khối xây dựng cơ bản của thời đại điện tử kỹ thuật số ngày nay, cung cấp cho chúng ta nhiều loại thiết bị có lợi cho cuộc sống hiện đại, chẳng hạn như máy tính, điện thoại thông minh và các thiết bị di động khác. Những cải tiến về chức năng và hiệu suất bán dẫn cũng đang tạo điều kiện cho các ứng dụng bán dẫn thế hệ tiếp theo trong điện toán, cảm biến và chuyển đổi năng lượng. Các nhà nghiên cứu từ lâu đã phải vật lộn để khắc phục những hạn chế trong khả năng hiểu biết đầy đủ về các điện tích bên trong các thiết bị bán dẫn và vật liệu bán dẫn tiên tiến đang cản trở khả năng tiến lên phía trước của chúng ta.
Trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Một nhóm hợp tác nghiên cứu do IBM Research dẫn đầu đã mô tả một bước đột phá thú vị trong việc giải đáp bí ẩn 140 năm tuổi trong vật lý, bí ẩn sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu các đặc tính vật lý của chất bán dẫn chi tiết hơn nhiều và cho phép phát triển các vật liệu bán dẫn mới và cải tiến.
Để thực sự hiểu tính chất vật lý của chất bán dẫn, trước tiên chúng ta phải hiểu các tính chất cơ bản của hạt mang điện trong vật liệu, cho dù chúng là hạt âm hay dương, tốc độ của chúng trong điện trường ứng dụng và mật độ của chúng trong vật liệu. Nhà vật lý Edwin Hall đã tìm ra cách xác định những tính chất này vào năm 1879 khi ông phát hiện ra rằng từ trường sẽ làm lệch hướng chuyển động của các điện tích bên trong một dây dẫn, và mức độ lệch có thể được đo bằng hiệu điện thế vuông góc với hướng của dòng điện tích. các hạt, như trong Hình 1a. Điện áp này, được gọi là điện áp Hall, tiết lộ thông tin quan trọng về các hạt mang điện trong chất bán dẫn, bao gồm cả việc chúng là electron âm hay giả hạt dương gọi là “lỗ trống”, tốc độ chúng di chuyển trong điện trường hay “độ linh động” của chúng (µ ) , và nồng độ của chúng (n) bên trong chất bán dẫn.
bí ẩn 140 tuổi
Nhiều thập kỷ sau phát hiện của Hall, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng họ có thể thực hiện các phép đo hiệu ứng Hall bằng ánh sáng – các thí nghiệm được gọi là ảnh-Hall, xem Hình 1b. Trong những thí nghiệm như vậy, sự chiếu sáng bằng ánh sáng tạo ra nhiều hạt mang, hay cặp electron-lỗ trống, trong chất bán dẫn. Thật không may, sự hiểu biết của chúng ta về hiệu ứng Hall cơ bản chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hạt mang điện đa số (hoặc đa số). Các nhà nghiên cứu không thể trích xuất đồng thời các tham số từ cả hai phương tiện (chính và không chính). Thông tin như vậy là chìa khóa cho nhiều ứng dụng liên quan đến ánh sáng, chẳng hạn như tấm pin mặt trời và các thiết bị quang điện tử khác.
Nghiên cứu của tạp chí IBM Research tiết lộ một trong những bí mật được giữ kín từ lâu của hiệu ứng Hall. Các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), Viện Nghiên cứu Công nghệ Hóa học Hàn Quốc (KRICT), Đại học Duke và IBM đã phát hiện ra một công thức và kỹ thuật mới cho phép chúng tôi trích xuất đồng thời thông tin về cơ bản và không cơ bản. chất mang, chẳng hạn như nồng độ và độ linh động của chúng, cũng như thu được thông tin bổ sung về thời gian tồn tại của chất mang, độ dài khuếch tán và quá trình tái hợp.
Cụ thể hơn, trong thí nghiệm quang-Hall, cả hai hạt tải điện đều góp phần làm thay đổi độ dẫn điện (σ) và hệ số Hall (H, tỷ lệ với tỷ số giữa điện áp Hall và từ trường). Những hiểu biết quan trọng đến từ việc đo độ dẫn điện và hệ số Hall theo cường độ ánh sáng. Ẩn trong hình dạng của đường cong hệ số dẫn điện-Hall (σ-H) cho thấy thông tin mới về cơ bản: sự khác biệt về độ linh động của cả hai sóng mang. Như đã thảo luận trong bài viết, mối quan hệ này có thể được thể hiện một cách tao nhã:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Bắt đầu với mật độ sóng mang đa số đã biết từ phép đo Hall truyền thống trong bóng tối, chúng ta có thể tiết lộ độ di động và mật độ sóng mang đa số và thiểu số như là một hàm của cường độ ánh sáng. Nhóm đã đặt tên cho phương pháp đo mới này là: Phòng ảnh do nhà cung cấp dịch vụ phân giải (CRPH). Với cường độ chiếu sáng đã biết, tuổi thọ của vật mang có thể được thiết lập theo cách tương tự. Mối liên hệ này và lời giải của nó đã bị che giấu gần một thế kỷ rưỡi kể từ khi hiệu ứng Hall được phát hiện.
Ngoài những tiến bộ trong hiểu biết lý thuyết này, những tiến bộ trong phương pháp thử nghiệm cũng rất quan trọng để kích hoạt phương pháp mới này. Phương pháp này yêu cầu phép đo thuần túy tín hiệu Hall, có thể khó thực hiện đối với các vật liệu có tín hiệu Hall yếu (ví dụ: do tính di động thấp) hoặc khi có thêm tín hiệu không mong muốn, như khi chiếu xạ ánh sáng mạnh. Để làm điều này, cần thực hiện phép đo Hall bằng từ trường dao động. Cũng giống như khi nghe radio, bạn cần chọn tần số của đài mong muốn, loại bỏ tất cả các tần số khác gây nhiễu. Phương pháp CRPH tiến thêm một bước nữa và không chỉ chọn tần số mong muốn mà còn cả pha của từ trường dao động bằng phương pháp gọi là cảm biến đồng bộ. Khái niệm đo Hall dao động này đã được biết đến từ lâu, nhưng phương pháp truyền thống sử dụng hệ thống cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường dao động là không hiệu quả.
Khám phá trước đó
Như thường lệ trong khoa học, những tiến bộ trong một lĩnh vực này được thúc đẩy bởi những khám phá ở lĩnh vực khác. Vào năm 2015, IBM Research đã báo cáo một hiện tượng vật lý chưa từng được biết đến trước đây liên quan đến một hiệu ứng giam cầm từ trường mới gọi là hiệu ứng “bướu lạc đà”, xảy ra giữa hai đường lưỡng cực ngang khi chúng vượt quá một độ dài tới hạn, như minh họa trong Hình 2a. Hiệu ứng này là đặc điểm chính cho phép tạo ra một loại bẫy từ tự nhiên mới gọi là bẫy đường lưỡng cực song song (bẫy PDL), như trong Hình 2b. Bẫy PDL từ có thể được sử dụng như một nền tảng mới cho nhiều ứng dụng cảm biến như máy đo độ nghiêng, máy đo địa chấn (cảm biến động đất). Các hệ thống cảm biến mới như vậy, cùng với các công nghệ dữ liệu lớn, có thể mở ra nhiều ứng dụng mới và đang được nhóm Nghiên cứu IBM khám phá để phát triển một nền tảng phân tích dữ liệu lớn có tên là Dịch vụ Kho lưu trữ Tích hợp Phân tích Vật lý của IBM (PAIRS), chứa rất nhiều dữ liệu không gian địa lý. và dữ liệu Internet of Things (IoT).
Đáng ngạc nhiên là phần tử PDL tương tự lại có một ứng dụng độc đáo khác. Khi quay, nó đóng vai trò như một hệ thống thí nghiệm photo-Hall lý tưởng để thu được dao động điều hòa thuần túy và một chiều của từ trường (Hình 2c). Quan trọng hơn, hệ thống cung cấp đủ không gian để cho phép chiếu sáng một khu vực rộng của mẫu, điều này rất quan trọng trong các thí nghiệm photo-Hall.
Tác động
Phương pháp chụp ảnh mới mà chúng tôi đã phát triển cho phép chúng tôi trích xuất một lượng thông tin đáng kinh ngạc từ chất bán dẫn. Ngược lại với chỉ ba thông số thu được trong phép đo Hall cổ điển, phương pháp mới này mang lại tới bảy thông số ở mỗi cường độ ánh sáng được thử nghiệm. Điều này bao gồm tính linh động của cả electron và lỗ trống; nồng độ chất mang của chúng dưới tác động của ánh sáng; thời gian sống tái tổ hợp; và độ dài khuếch tán của các electron, lỗ trống và các loại lưỡng cực. Tất cả điều này có thể được lặp lại N lần (tức là số thông số cường độ ánh sáng được sử dụng trong thí nghiệm).
Phát hiện và công nghệ mới này sẽ giúp thúc đẩy những tiến bộ về chất bán dẫn trong cả công nghệ hiện có và công nghệ mới nổi. Bây giờ chúng tôi có kiến thức và công cụ cần thiết để trích xuất các đặc tính vật lý của vật liệu bán dẫn một cách chi tiết. Ví dụ, nó sẽ giúp đẩy nhanh sự phát triển của công nghệ bán dẫn thế hệ tiếp theo, chẳng hạn như các tấm pin mặt trời tốt hơn, các thiết bị quang điện tử tốt hơn cũng như các vật liệu và thiết bị mới cho công nghệ trí tuệ nhân tạo.
bài viết được xuất bản vào ngày 7 tháng 2019 năm XNUMX tại .
Translation: Nikolay Marin (), Giám đốc Công nghệ IBM tại Nga và các nước CIS.
Nguồn: www.habr.com