Traducción de un artículo de IBM Research.
Un avance importante en física nos permitirá estudiar las características físicas de los semiconductores con mucho mayor detalle. Quizás esto ayudará a acelerar el desarrollo de la tecnología de semiconductores de próxima generación.
Autores
Oki Gunawan - Miembro del personal, IBM Research
Doug Bishop - Ingeniero de caracterización, IBM Research
Los semiconductores son los principales bloques de construcción de la era digital y electrónica actual, y nos proporcionan una variedad de dispositivos que benefician nuestra vida moderna, como computadoras, teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles. Las mejoras en la funcionalidad y el rendimiento de los semiconductores también permiten utilizar la próxima generación de semiconductores para computar, reconocer y transformar energía. Los investigadores han luchado durante mucho tiempo para superar las limitaciones de nuestra capacidad de comprender completamente las cargas electrónicas dentro de los dispositivos semiconductores y los materiales semiconductores avanzados que impiden nuestra capacidad de avanzar.
En un nuevo estudio en la revista Nature, una coautoría de investigación dirigida por IBM Research describe un avance emocionante para descubrir un misterio de la física de 140 años de antigüedad, que nos permitirá estudiar las características físicas de los semiconductores con mucho mayor detalle y permitir el desarrollo de materiales semiconductores nuevos y mejorados.
Para comprender realmente la física de los semiconductores, primero debemos comprender las propiedades fundamentales de los portadores de carga dentro de los materiales, ya sean partículas negativas o positivas, su velocidad en un campo eléctrico aplicado y cuán densamente están empaquetados en el material. El físico Edwin Hall encontró una manera de determinar estas propiedades en 1879 cuando descubrió que un campo magnético desviaría el movimiento de las cargas electrónicas dentro de un conductor, y que la desviación podría medirse como la diferencia de potencial perpendicular al flujo dirigido de partículas cargadas, como se muestra en la Figura 1a. Este voltaje, conocido como voltaje Hall, revela información importante sobre los portadores de carga en un semiconductor, incluso si son electrones negativos o cuasipartículas positivas llamadas "agujeros", qué tan rápido se mueven en un campo eléctrico o su "movilidad" (µ) , y su concentración (n) dentro del semiconductor.
140 años de misterio
Décadas después del descubrimiento de Hall, los investigadores también descubrieron que podían medir el efecto Hall con luz: experimentos llamados Photo Hall, ver Figura 1b. En tales experimentos, la iluminación de la luz genera múltiples portadores o pares de electrones en semiconductores. Desafortunadamente, nuestra comprensión del efecto Hall principal proporcionó información sobre solo los principales operadores de carga (o operadores mayoritarios). Los investigadores no pudieron extraer los parámetros de ambos portadores (primario y secundario) al mismo tiempo. Dicha información es clave para muchas aplicaciones relacionadas con la luz, como los paneles solares y otros dispositivos optoelectrónicos.
Un estudio de IBM Research en la revista Nature revela uno de los secretos más antiguos del efecto Hall. Investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), el Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea (KRICT), la Universidad de Duke e IBM han descubierto una nueva fórmula y técnica que nos permite extraer simultáneamente información sobre el soporte principal y no básico, como su concentración y movilidad, así como obtener información adicional sobre la duración del portador, la longitud de difusión y el proceso de recombinación.
Más específicamente, en un experimento de foto-Hall, ambos portadores contribuyen a los cambios en la conductividad (σ) y el coeficiente de Hall (H, proporcional a la relación de voltaje de Hall a campo magnético). Las ideas clave provienen de medir la conductividad y el coeficiente de Hall en función de la intensidad de la luz. Oculto en forma de curva de conductividad, el coeficiente de Hall (σ-H) muestra información fundamentalmente nueva: la diferencia en la movilidad de ambos transportistas. Como se discutió en el artículo, esta relación se puede expresar con elegancia:
$$ display $$ Δµ = d (σ²H) / dσ $$ display $$
Comenzando con la densidad de portadores conocida de la mayoría de las mediciones de Hall tradicionales en la oscuridad, podemos revelar para la mayoría y la minoría la movilidad y la densidad de los portadores en función de la intensidad de la luz. El equipo llamó al nuevo método de medición: Portier-Resolved Photo Hall (CRPH), que fue permitido por el transportista. Con una intensidad conocida de iluminación de luz, la vida útil del portador se puede configurar de manera similar. Esta conexión y las decisiones relacionadas se han ocultado durante casi un siglo y medio desde el descubrimiento del efecto Hall.
Además de los avances en esta comprensión teórica, los avances en los métodos experimentales también son cruciales para proporcionar este nuevo método. El método requiere una medición limpia de la señal de Hall, que puede ser difícil para los materiales donde la señal de Hall es débil (por ejemplo, debido a la baja movilidad) o cuando hay señales adicionales no deseadas, como con una fuerte exposición a la luz. Para esto, es necesario realizar una medición de Hall utilizando un campo magnético oscilante. Al igual que al escuchar la radio, debe seleccionar la frecuencia de la estación deseada, descartando todas las demás frecuencias que actúan como ruido. El método CRPH da un paso adelante y selecciona no solo la frecuencia deseada, sino también la fase del campo magnético oscilante de acuerdo con un método llamado determinación sincrónica. Este concepto de medición de Hall oscilante se conoce desde hace mucho tiempo, pero el método tradicional que utiliza un sistema de bobinas electromagnéticas para generar un campo magnético oscilante no fue efectivo.
Apertura previa
Como sucede a menudo en la ciencia, los avances en un área son causados por descubrimientos en otra. En 2015, IBM Research informó sobre un fenómeno desconocido en física relacionado con un nuevo efecto de campo magnético llamado efecto "joroba de camello" que ocurre entre dos líneas de dipolos transversales cuando exceden una longitud crítica, como se muestra en la Figura 2a. El efecto es una característica clave que proporciona un nuevo tipo de trampa magnética natural llamada trampa de línea dipolo paralela (trampa PDL), como se muestra en la Figura 2b. La trampa magnética PDL se puede utilizar como la última plataforma para una variedad de aplicaciones sensoriales, como medidor de inclinación, sismómetro (sensor de terremoto). Los nuevos sistemas de sensores similares, junto con las tecnologías de big data, pueden abrir muchas aplicaciones nuevas, y están siendo estudiados por el equipo de investigación de IBM, que está desarrollando una plataforma de análisis de big data llamada IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), que contiene muchos datos geoespaciales e Internet de las cosas Internet de las cosas (IoT)
Sorprendentemente, el mismo elemento PDL tiene otro uso único. Cuando gira, sirve como un sistema ideal para un experimento de foto-Hall para recibir oscilaciones armónicas unidireccionales y puras del campo magnético (Figura 2c). Más importante aún, el sistema proporciona suficiente espacio para permitir la iluminación de un área grande de la muestra, lo cual es crítico en los experimentos de la sala de fotografías.
Influencia
El nuevo método desarrollado para la sala de fotografía nos permite extraer una cantidad sorprendente de información de los semiconductores. A diferencia de solo los tres parámetros obtenidos en la medición clásica de Hall, este nuevo método trae hasta siete parámetros para cada una de las intensidades de luz probadas. Esto incluye la movilidad de electrones y agujeros; la concentración de su portador bajo la influencia de la luz; vida de recombinación; y longitud de difusión para electrones, agujeros y tipo ambipolar. Todo esto puede repetirse N veces (es decir, el número de parámetros de intensidad de luz utilizados en el experimento).
Este nuevo descubrimiento y tecnología ayudará a avanzar en los avances de semiconductores tanto en tecnologías existentes como emergentes. Ahora tenemos el conocimiento y las herramientas necesarias para extraer las características físicas de los materiales semiconductores con gran detalle. Por ejemplo, ayudará a acelerar el desarrollo de la tecnología de semiconductores de próxima generación, como los mejores paneles solares, los mejores dispositivos optoelectrónicos y nuevos materiales y dispositivos para tecnologías de inteligencia artificial.
El artículo original se publicó el 7 de octubre de 2019 en el blog de IBM Research .
Traducción: Nikolay Marin , Director de Tecnología de IBM en Rusia y la CEI.