Enthüllung eines 140 Jahre alten Geheimnisses in der Physik

Übersetzung eines Artikels von IBM Research.

Ein wichtiger Durchbruch in der Physik wird es uns ermöglichen, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern viel detaillierter zu untersuchen. Vielleicht wird dies dazu beitragen, die Entwicklung der Halbleitertechnologie der nächsten Generation zu beschleunigen.

Autoren:
Oki Gunawan - Mitarbeiter von IBM Research
Doug Bishop - Charakterisierungsingenieur, IBM Research

Halbleiter sind die Hauptbausteine ​​des heutigen digitalen, elektronischen Zeitalters und bieten uns eine Vielzahl von Geräten, die unserem modernen Leben zugute kommen, wie Computer, Smartphones und andere mobile Geräte. Verbesserungen in der Funktionalität und Leistung von Halbleitern ermöglichen auch die Verwendung der nächsten Halbleitergeneration zum Berechnen, Erkennen und Umwandeln von Energie. Forscher haben lange darum gekämpft, die Einschränkungen unserer Fähigkeit zu überwinden, elektronische Ladungen in Halbleiterbauelementen und fortschrittlichen Halbleitermaterialien vollständig zu verstehen, die unsere Fähigkeit, vorwärts zu kommen, behindern.

In einer neuen Studie in der Zeitschrift Nature beschreibt eine von IBM Research geleitete Koautorschaft einen spektakulären Durchbruch bei der Aufdeckung von 140 Jahren Rätsel in der Physik, der es uns ermöglicht, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern detaillierter zu untersuchen und die Entwicklung neuer und verbesserter Halbleitermaterialien zu ermöglichen.

Um die Physik von Halbleitern wirklich zu verstehen, müssen wir zunächst die grundlegenden Eigenschaften von Ladungsträgern in Materialien verstehen, ob es sich um negative oder positive Teilchen handelt, ihre Geschwindigkeit in einem angelegten elektrischen Feld und wie dicht sie im Material gepackt sind. Der Physiker Edwin Hall fand 1879 einen Weg, diese Eigenschaften zu bestimmen, als er entdeckte, dass ein Magnetfeld die Bewegung elektronischer Ladungen innerhalb eines Leiters ablenken würde und dass die Ablenkung als Potentialdifferenz senkrecht zum gerichteten Fluss geladener Teilchen gemessen werden könnte, wie in Abbildung 1a gezeigt. Diese als Hall-Spannung bekannte Spannung gibt wichtige Informationen über Ladungsträger in einem Halbleiter wieder, einschließlich der Frage, ob es sich um negative Elektronen oder positive Quasiteilchen handelt, die als „Löcher“ bezeichnet werden, wie schnell sie sich in einem elektrischen Feld bewegen oder wie mobil sie sind (µ). und ihre Konzentration (n) innerhalb des Halbleiters.

140 Jahre Rätsel

Jahrzehnte nach der Entdeckung von Hall fanden die Forscher auch heraus, dass sie den Hall-Effekt mit Lichtexperimenten messen konnten, die als Photo Hall bezeichnet werden (siehe Abbildung 1b). In solchen Experimenten erzeugt die Lichtbeleuchtung mehrere Ladungsträger oder Elektron-Loch-Paare in Halbleitern. Leider lieferte unser Verständnis des Haupthalleffekts nur Einblick in die Hauptladungsträger (oder Mehrheitsträger). Die Forscher konnten die Parameter beider Träger (primär und sekundär) nicht gleichzeitig extrahieren. Solche Informationen sind der Schlüssel für viele lichtbezogene Anwendungen wie Sonnenkollektoren und andere optoelektronische Geräte.

Eine Studie von IBM Research in der Zeitschrift Nature enthüllt eines der lang gehegten Geheimnisse des Hall-Effekts. Forscher des Korea Advanced Institute für Wissenschaft und Technologie (KAIST), des Korea Research Institute für chemische Technologie (KRICT), der Duke University und von IBM haben eine neue Formel und Technik entdeckt, die ermöglicht es uns, gleichzeitig Informationen über den Haupt- und den nicht-basischen Träger wie ihre Konzentration und Mobilität zu extrahieren sowie zusätzliche Informationen über die Dauer des Trägers, die Diffusionslänge und den Rekombinationsprozess zu erhalten.

Insbesondere tragen in einem Photo-Hall-Experiment beide Träger zu Änderungen der Leitfähigkeit (σ) und des Hall-Koeffizienten (H, proportional zum Verhältnis von Hall-Spannung zu Magnetfeld) bei. Wichtige Erkenntnisse stammen aus der Messung der Leitfähigkeit und des Hall-Koeffizienten als Funktion der Lichtintensität. Der Hall-Koeffizient (σ-H) ist in Form einer Leitfähigkeitskurve verborgen und zeigt grundlegend neue Informationen: den Unterschied in der Mobilität beider Träger. Wie im Artikel besprochen, kann diese Beziehung elegant ausgedrückt werden:

$$$$ Anzeige $$ Δµ = d (σ²H) / dσ $$ Anzeige $$

Ausgehend von der bekannten Trägerdichte der meisten traditionellen Hall-Messungen im Dunkeln können wir sowohl für die Mehrheit als auch für die Minderheit die Mobilität und Dichte der Träger als Funktion der Lichtintensität aufzeigen. Das Team nannte die neue Messmethode: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH), die vom Carrier zugelassen wurde. Bei einer bekannten Intensität der Lichtbeleuchtung kann die Lebensdauer des Trägers auf ähnliche Weise eingestellt werden. Diese Verbindung und damit verbundene Entscheidungen sind seit der Entdeckung des Hall-Effekts seit fast anderthalb Jahrhunderten verborgen.

Neben den Fortschritten in diesem theoretischen Verständnis sind auch Fortschritte in experimentellen Methoden entscheidend für die Bereitstellung dieser neuen Methode. Das Verfahren erfordert eine saubere Messung des Hall-Signals, was für Materialien schwierig sein kann, bei denen das Hall-Signal schwach ist (z. B. aufgrund geringer Mobilität) oder wenn zusätzliche unerwünschte Signale vorhanden sind, wie bei starker Belichtung. Hierzu ist eine Hallmessung mit einem oszillierenden Magnetfeld erforderlich. Wie beim Radiohören müssen Sie die Frequenz des gewünschten Senders auswählen und alle anderen Frequenzen verwerfen, die als Rauschen wirken. Das CRPH-Verfahren macht einen Schritt nach vorne und wählt nicht nur die gewünschte Frequenz, sondern auch die Phase des oszillierenden Magnetfelds gemäß einem als synchrone Bestimmung bezeichneten Verfahren aus. Dieses Konzept einer oszillierenden Hall-Messung ist seit langem bekannt, aber das traditionelle Verfahren unter Verwendung eines Systems elektromagnetischer Spulen zur Erzeugung eines oszillierenden Magnetfelds war unwirksam.

Vorherige Eröffnung

Wie in der Wissenschaft häufig, werden Fortschritte in einem Bereich durch Entdeckungen in einem anderen Bereich verursacht. Im Jahr 2015 berichtete IBM Research über ein bisher unbekanntes Phänomen in der Physik im Zusammenhang mit einem neuen Magnetfeldeffekt, dem so genannten „Kamelbuckel“ -Effekt, der zwischen zwei Linien von Querdipolen auftritt, wenn diese eine kritische Länge überschreiten (siehe Abbildung 2a). Der Effekt ist ein Schlüsselmerkmal, das einen neuen Typ einer natürlichen Magnetfalle bereitstellt, die als parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle) bezeichnet wird (siehe Abbildung 2b). Die PDL-Magnetfalle kann als neueste Plattform für eine Vielzahl sensorischer Anwendungen wie Neigungsmesser und Seismometer (Erdbebensensor) verwendet werden. Ähnliche neue Sensorsysteme können zusammen mit Big-Data-Technologien viele neue Anwendungen eröffnen und werden vom IBM Research-Team untersucht, das eine Big-Data-Analyseplattform namens IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) entwickelt, die viele Geodaten und das Internet der Dinge Internet of Things enthält (IoT).

Überraschenderweise hat dasselbe PDL-Element eine andere einzigartige Verwendung. Wenn es sich dreht, dient es als ideales System für ein Photo-Hall-Experiment, um unidirektionale und rein harmonische Schwingungen des Magnetfelds zu empfangen (Abbildung 2c). Noch wichtiger ist, dass das System genügend Platz bietet, um einen großen Bereich der Probe zu beleuchten, was bei Photo-Hall-Experimenten von entscheidender Bedeutung ist.

Einfluss

Die entwickelte neue Methode für die Fotohalle ermöglicht es uns, eine erstaunliche Menge an Informationen aus Halbleitern zu extrahieren. Im Gegensatz zu nur den drei Parametern, die bei der klassischen Hall-Messung erhalten wurden, liefert diese neue Methode bis zu sieben Parameter für jede der getesteten Lichtintensitäten. Dies schließt die Beweglichkeit sowohl von Elektronen als auch von Löchern ein; die Konzentration ihres Trägers unter dem Einfluss von Licht; Rekombinationslebensdauer; und Diffusionslänge für Elektronen, Löcher und ambipolaren Typ. All dies kann N-mal wiederholt werden (d. H. Die Anzahl der im Experiment verwendeten Lichtintensitätsparameter).

Diese neue Entdeckung und Technologie wird dazu beitragen, die Fortschritte bei Halbleitern sowohl bei bestehenden als auch bei neuen Technologien voranzutreiben. Wir haben jetzt das Wissen und die Werkzeuge, um die physikalischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien detailliert zu extrahieren. Dies wird beispielsweise dazu beitragen, die Entwicklung der Halbleitertechnologie der nächsten Generation zu beschleunigen, beispielsweise der besten Solarmodule, der besten optoelektronischen Geräte sowie neuer Materialien und Geräte für Technologien der künstlichen Intelligenz.

Der ursprüngliche Artikel wurde am 7. Oktober 2019 im IBM Research-Blog veröffentlicht .
Übersetzung: Nikolay Marin , Chief Technology Officer IBM in Russland und der GUS.