IBM 研究中心作者文章的翻译。
物理学的一项重要突破将使我们能够更详细地研究半导体的物理特性。 这可能有助于加速下一代半导体技术的发展。
作者：
— IBM 研究中心工作人员
Doug Bishop - IBM 研究院表征工程师
半导体是当今数字电子时代的基本组成部分，为我们提供了各种有益于现代生活的设备，例如计算机、智能手机和其他移动设备。 半导体功能和性能的改进也促进了计算、传感和能源转换领域的下一代半导体应用。 研究人员长期以来一直在努力克服我们充分理解半导体器件和先进半导体材料内部电子电荷的能力的限制，这些限制阻碍了我们前进的能力。
在该杂志的一项新研究中 IBM Research 领导的一项研究合作描述了解决 140 年物理学之谜的一项令人兴奋的突破，该突破将使我们能够更详细地研究半导体的物理特性，并能够开发新的和改进的半导体材料。
要真正了解半导体的物理原理，我们必须首先了解材料内电荷载流子的基本特性，无论它们是带电粒子还是带电粒子、它们在外加电场中的速度以及它们在材料内的堆积密度。 物理学家埃德温·霍尔 (Edwin Hall) 于 1879 年找到了一种确定这些特性的方法，当时他发现磁场会使导体内电子电荷的运动发生偏转，并且偏转量可以通过垂直于带电方向流动的电势差来测量。颗粒，如图 1a 所示。 该电压称为霍尔电压，揭示了有关半导体中电荷载流子的重要信息，包括它们是负电子还是称为“空穴”的正准粒子、它们在电场中移动的速度或它们的“迁移率”（μ ) ，以及它们在半导体内部的浓度 (n)。
140年之谜
霍尔发现几十年后，研究人员还发现他们可以用光测量霍尔效应，即称为光霍尔的实验，见图 1b。 在此类实验中，光照射会在半导体中产生多个载流子或电子空穴对。 不幸的是，我们对基本霍尔效应的理解仅提供了对大多数（或多数）电荷载流子的洞察。 研究人员无法同时从两种媒体（主要和非主要）中提取参数。 此类信息对于许多与光相关的应用（例如太阳能电池板和其他光电设备）至关重要。
IBM 研究杂志研究 揭示了霍尔效应长期保守的秘密之一。 来自韩国科学技术院 (KAIST)、韩国化学技术研究院 (KRICT)、杜克大学和 IBM 的研究人员发现了一种新的公式和技术，使我们能够同时提取有关基本和非基本的信息载流子，例如它们的浓度和迁移率，以及获得有关载流子寿命、扩散长度和复合过程的附加信息。
更具体地说，在光霍尔实验中，两种载流子都会导致电导率 (σ) 和霍尔系数（H，与霍尔电压与磁场之比成正比）的变化。 主要见解来自测量电导率和霍尔系数作为光强度的函数。 隐藏在电导率-霍尔系数曲线 (σ-H) 的形状中显示了全新的信息：两种载流子迁移率的差异。 正如文章中所讨论的，这种关系可以优雅地表达：
$$显示$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$显示$$
从黑暗中传统霍尔测量中已知的多数载流子密度开始，我们可以揭示多数载流子和少数载流子的迁移率和密度作为光强度的函数。 该团队将新的测量方法命名为：Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH)。 在已知光照射强度的情况下，可以以类似的方式确定载体的寿命。 自从发现霍尔效应以来，这种联系及其解决方案已经被隐藏了近一个半世纪。
除了理论理解的进步之外，实验方法的进步对于实现这种新方法也至关重要。 该方法需要对霍尔信号进行纯粹的测量，这对于霍尔信号较弱（例如，由于迁移率低）或存在额外不需要的信号（如强光照射）的材料来说可能很困难。 为此，需要使用振荡磁场进行霍尔测量。 就像听广播时一样，您需要选择所需电台的频率，丢弃所有其他充当噪音的频率。 CRPH 方法更进一步，不仅选择所需的频率，还使用一种称为同步传感的方法选择振荡磁场的相位。 振荡霍尔测量的概念早已为人所知，但使用电磁线圈系统产生振荡磁场的传统方法是无效的。
先前的发现
正如科学领域经常发生的那样，一个领域的进步是由另一领域的发现推动的。 2015 年，IBM 研究报告了一种以前未知的物理学现象，与一种称为“驼峰”效应的新磁场限制效应相关，当两条横向偶极子线超过临界长度时，这种现象会发生在它们之间，如图 2a 所示。 该效应是实现新型天然磁陷阱（称为平行偶极线陷阱（PDL 陷阱））的关键特征，如图 2b 所示。 磁性 PDL 陷阱可用作各种传感应用的新颖平台，例如倾斜计、地震计（地震传感器）。 这种新的传感器系统与大数据技术相结合，可以开辟许多新的应用程序，IBM 研究团队正在探索开发一个名为 IBM 物理分析集成存储库服务 (PAIRS) 的大数据分析平台，该平台包含丰富的地理空间数据和物联网数据（IoT）。
令人惊讶的是，同一个 PDL 元素还有另一个独特的应用。 旋转时，它可作为理想的光霍尔实验系统，获得磁场的单向纯简谐振动（图2c）。 更重要的是，该系统提供了足够的空间，可以对样品的大面积进行照明，这在光厅实验中至关重要。
碰撞
我们开发的新照相馆方法使我们能够从半导体中提取大量信息。 与经典霍尔测量中仅获得三个参数相比，这种新方法在每个测试的光强度下产生多达七个参数。 这包括电子和空穴的迁移率； 光影响下其载流子的浓度； 重组寿命； 以及电子、空穴和双极类型的扩散长度。 这一切都可以重复N次（即实验中使用的光强度参数的数量）。
这项新发现和技术将有助于推动现有和新兴技术的半导体进步。 我们现在拥有详细提取半导体材料物理特性所需的知识和工具。 例如，它将有助于加速下一代半导体技术的发展，例如更好的太阳能电池板、更好的光电器件以及人工智能技术的新材料和器件。
文章发表于 7 年 2019 月 XNUMX 日 .
翻译： 尼古拉·马林 (），IBM 俄罗斯和独联体国家首席技术官。
来源： habr.com