揭開 140 年前的物理秘密

IBM 研究中心作者文章的翻譯。

物理學的一項重要突​​破將使我們能夠更詳細地研究半導體的物理特性。 這可能有助於加速下一代半導體技術的發展。

作者：
大木古那灣 — IBM 研究中心工作人員
Doug Bishop - IBM 研究院表徵工程師

半導體是當今數位電子時代的基本組成部分，為我們提供了各種有益於現代生活的設備，例如電腦、智慧型手機和其他行動裝置。 半導體功能和性能的改進也促進了計算、感測和能源轉換領域的下一代半導體應用。 研究人員長期以來一直在努力克服我們充分理解半導體裝置和先進半導體材料內部電子電荷的能力的限制，這些限制阻礙了我們前進的能力。

在該雜誌的一項新研究中 性質 IBM Research 領導的一項研究合作描述了解決140 年物理學之謎的一項令人興奮的突破，該突破將使我們能夠更詳細地研究半導體的物理特性，並能夠開發新的和改進的半導體材料。

要真正了解半導體的物理原理，我們必須先了解材料內電荷載流子的基本特性，無論它們是帶負電的粒子還是帶正電的粒子、它們在外加電場中的速度以及它們在材料內的堆積密度。 物理學家埃德溫·霍爾(Edwin Hall) 於1879 年找到了一種確定這些特性的方法，當時他發現磁場會使導體內電子電荷的運動發生偏轉，並且偏轉量可以通過垂直於帶電方向流動的電位差來測量。顆粒，如圖 1a 所示。 此電壓（稱為霍爾電壓）揭示了有關半導體中電荷載流子的重要訊息，包括它們是負電子還是稱為「電洞」的正準粒子、它們在電場中移動的速度或它們的「遷移速率」（μ ) ，以及它們在半導體內部的濃度 (n)。

140年之謎

霍爾發現幾十年後，研究人員也發現他們可以用光測量霍爾效應，也就是稱為光霍爾的實驗，見圖 1b。 在此類實驗中，光照射會在半導體中產生多個載子或電子電洞對。 不幸的是，我們對基本霍爾效應的理解僅提供了對大多數（或多數）電荷載子的洞察。 研究人員無法同時從兩種媒體（主要和非主要）中提取參數。 此類資訊對於許多與光相關的應用（例如太陽能電池板和其他光電設備）至關重要。

IBM 研究雜誌研究 性質 揭示了霍爾效應長期保守的秘密之一。 來自韓國科學技術院 (KAIST)、韓國化學技術研究院 (KRICT)、杜克大學和 IBM 的研究人員發現了一種新的公式和技術，使我們能夠同時提取有關基本和非基本資訊的載流子，例如它們的濃度和遷移率，以及獲得有關載流子壽命、擴散長度和複合過程的附加資訊。

更具體地說，在光霍爾實驗中，兩種載子都會導致電導率 (σ) 和霍爾係數（H，與霍爾電壓與磁場之比成正比）的變化。 主要見解來自測量電導率和霍爾係數作為光強度的函數。 隱藏在電導率-霍爾係數曲線 (σ-H) 的形狀中顯示了全新的資訊：兩種載子遷移率的差異。 正如文章中所討論的，這種關係可以優雅地表達：

$$顯示$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$顯示$$

從黑暗中傳統霍爾測量中已知的多數載子密度開始，我們可以揭示多數載子和少數載子的遷移率和密度作為光強度的函數。 團隊將新的測量方法命名為：Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH)。 在已知光照射強度的情況下，可以以類似的方式確定載體的壽命。 自從發現霍爾效應以來，這種連結及其解決方案已經被隱藏了近一個半世紀。

除了理論理解的進步之外，實驗方法的進步對於實現這種新方法也至關重要。 此方法需要對霍爾訊號進行純粹的測量，這對於霍爾訊號較弱（例如，由於遷移率低）或存在額外不必要的訊號（如強光照射）的材料來說可能很困難。 為此，需要使用振盪磁場進行霍爾測量。 就像聽廣播時一樣，您需要選擇所需電台的頻率，丟棄所有其他充當噪音的頻率。 CRPH 方法更進一步，不僅選擇所需的頻率，還使用稱為同步感測的方法來選擇振盪磁場的相位。 振盪霍爾測量的概念早已為人所知，但使用電磁線圈系統產生振盪磁場的傳統方法是無效的。

先前的發現

正如科學領域經常發生的那樣，一個領域的進步是由另一個領域的發現所推動的。 2015 年，IBM 研究報告了一種以前未知的物理學現象，與一種稱為「駝峰」效應的新磁場限制效應相關，當兩條橫向偶極子線超過臨界長度時，這種現象會發生在它們之間，如圖2a 所示。 此效應是實現新型天然磁陷阱（稱為平行偶極線陷阱（PDL 陷阱））的關鍵特徵，如圖 2b 所示。 磁性 PDL 陷阱可用作各種感測應用的新穎平台，例如傾斜計、地震儀（地震感測器）。 這種新的感測器系統與大數據技術相結合，可以開闢許多新的應用程序，IBM 研究團隊正在探索開發一個名為IBM 物理分析整合儲存庫服務(PAIRS) 的大數據分析平台，該平台包含豐富的地理空間資料和物聯網資料（IoT）。

令人驚訝的是，同一個 PDL 元素還有另一個獨特的應用。 旋轉時，它可作為理想的光霍爾實驗系統，獲得磁場的單向純簡諧振動（圖2c）。 更重要的是，該系統提供了足夠的空間，可以對樣品的大面積進行照明，這在光廳實驗中至關重要。

碰撞

我們開發的新照相館方法使我們能夠從半導體中提取大量資訊。 與經典霍爾測量中僅獲得三個參數相比，這種新方法在每個測試的光強度下產生多達七個參數。 這包括電子和電洞的遷移率； 光影響下其載流子的濃度； 重整壽命； 以及電子、電洞和雙極類型的擴散長度。 這一切都可以重複N次（即實驗中使用的光強度參數的數量）。

這項新發現和技術將有助於推動現有和新興技術的半導體進步。 我們現在擁有詳細提取半導體材料物理特性所需的知識和工具。 例如，它將有助於加速下一代半導體技術的發展，例如更好的太陽能電池板、更好的光電器件以及人工智慧技術的新材料和裝置。

原 文章發表於 7 年 2019 月 XNUMX 日 IBM 研究部落格.
翻譯： 尼古拉·馬林 (尼古拉·馬林），IBM 俄羅斯和獨聯體國家首席技術長。

來源： www.habr.com