Traduction d'un article d'IBM Research.
Une percée importante en physique nous permettra d'étudier de manière beaucoup plus détaillée les caractéristiques physiques des semi-conducteurs. Cela aidera peut-être à accélérer le développement de la technologie des semi-conducteurs de prochaine génération.
Auteurs:
Oki Gunawan - Membre du personnel, IBM Research
Doug Bishop - Ingénieur caractérisation, IBM Research
Les semi-conducteurs sont les principaux éléments constitutifs de l'ère numérique et électronique d'aujourd'hui, nous fournissant une variété d'appareils qui profitent à notre vie moderne, tels que des ordinateurs, des smartphones et d'autres appareils mobiles. Les améliorations des fonctionnalités et des performances des semi-conducteurs permettent également d'utiliser la prochaine génération de semi-conducteurs pour le calcul, la reconnaissance et la transformation de l'énergie. Les chercheurs ont longtemps lutté pour surmonter les limites de notre capacité à comprendre pleinement les charges électroniques à l'intérieur des dispositifs semi-conducteurs et des matériaux semi-conducteurs avancés qui freinent notre capacité à aller de l'avant.
Dans une nouvelle étude de la revue Nature, une coauteur de recherche dirigée par IBM Research décrit une percée spectaculaire dans la découverte de 140 ans de mystère en physique, qui nous permettra d'étudier les caractéristiques physiques des semi-conducteurs de manière beaucoup plus détaillée et de permettre le développement de matériaux semi-conducteurs nouveaux et améliorés.
Pour vraiment comprendre la physique des semi-conducteurs, nous devons d'abord comprendre les propriétés fondamentales des porteurs de charge à l'intérieur des matériaux, qu'ils soient des particules négatives ou positives, leur vitesse dans un champ électrique appliqué et leur densité dans le matériau. Le physicien Edwin Hall a trouvé un moyen de déterminer ces propriétés en 1879 lorsqu'il a découvert qu'un champ magnétique détournerait le mouvement des charges électroniques à l'intérieur d'un conducteur, et que la déviation pourrait être mesurée comme la différence de potentiel perpendiculaire au flux dirigé de particules chargées, comme le montre la figure 1a. Cette tension, connue sous le nom de tension de Hall, révèle des informations importantes sur les porteurs de charge dans un semi-conducteur, y compris s'il s'agit d'électrons négatifs ou de quasiparticules positives appelées «trous», de leur vitesse de déplacement dans un champ électrique ou de leur «mobilité» (µ) , et leur concentration (n) à l'intérieur du semi-conducteur.
Mystère de 140 ans
Des décennies après la découverte de Hall, les chercheurs ont également découvert qu'ils pouvaient mesurer l'effet Hall avec la lumière - des expériences appelées Photo Hall, voir la figure 1b. Dans de telles expériences, l'illumination lumineuse génère plusieurs porteurs ou paires électron-trou dans les semi-conducteurs. Malheureusement, notre compréhension de l'effet Hall principal n'a fourni qu'un aperçu des principaux transporteurs de charge (ou des transporteurs majoritaires). Les chercheurs n'ont pas pu extraire les paramètres des deux transporteurs (primaire et secondaire) en même temps. Ces informations sont essentielles à de nombreuses applications liées à la lumière, telles que les panneaux solaires et autres appareils optoélectroniques.
Une étude d'IBM Research dans la revue Nature révèle l'un des secrets de longue date de l'effet Hall. Des chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), du Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), de Duke University et d'IBM ont découvert une nouvelle formule et technique qui nous permet d'extraire simultanément des informations sur le support principal et non fondamental, telles que leur concentration et leur mobilité, ainsi que d'obtenir des informations supplémentaires sur la durée du support, la longueur de diffusion et le processus de recombinaison.
Plus précisément, dans une expérience de photo-Hall, les deux porteurs contribuent aux changements de conductivité (σ) et de coefficient de Hall (H, proportionnels au rapport de la tension de Hall au champ magnétique). Les informations clés proviennent de la mesure de la conductivité et du coefficient de Hall en fonction de l'intensité lumineuse. Caché sous forme de courbe de conductivité, le coefficient de Hall (σ-H) montre des informations fondamentalement nouvelles: la différence de mobilité des deux porteurs. Comme discuté dans l'article, cette relation peut être exprimée avec élégance:
$$ affichage $$ Δµ = d (σ²H) / dσ $$ affichage $$
En partant de la densité de porteurs connue de la plupart des mesures de Hall traditionnelles dans l'obscurité, nous pouvons révéler pour la majorité et la minorité la mobilité et la densité des porteurs en fonction de l'intensité lumineuse. L'équipe a appelé la nouvelle méthode de mesure: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH), qui a été autorisée par le transporteur. Avec une intensité d'éclairage connue, la durée de vie du support peut être réglée de manière similaire. Ce lien et les décisions connexes sont cachés depuis près d'un siècle et demi depuis la découverte de l'effet Hall.
En plus des progrès de cette compréhension théorique, les progrès des méthodes expérimentales sont également cruciaux pour fournir cette nouvelle méthode. La méthode nécessite une mesure propre du signal Hall, ce qui peut être difficile pour les matériaux où le signal Hall est faible (par exemple, en raison d'une faible mobilité) ou lorsque des signaux indésirables supplémentaires sont présents, comme avec une forte exposition à la lumière. Pour cela, il est nécessaire d'effectuer une mesure de Hall à l'aide d'un champ magnétique oscillant. Comme pour l'écoute de la radio, vous devez sélectionner la fréquence de la station souhaitée, en rejetant toutes les autres fréquences qui agissent comme du bruit. La méthode CRPH fait un pas en avant, et sélectionne non seulement la fréquence souhaitée, mais aussi la phase du champ magnétique oscillant selon une méthode appelée détermination synchrone. Ce concept de mesure Hall oscillante est connu depuis longtemps, mais la méthode traditionnelle utilisant un système de bobines électromagnétiques pour générer un champ magnétique oscillant était inefficace.
Ouverture précédente
Comme cela arrive souvent en science, les progrès dans un domaine sont causés par des découvertes dans un autre. En 2015, IBM Research a signalé un phénomène auparavant inconnu en physique lié à un nouvel effet de champ magnétique appelé effet «bosse de chameau» qui se produit entre deux lignes de dipôles transversaux lorsqu'ils dépassent une longueur critique, comme le montre la figure 2a. L'effet est une caractéristique clé qui fournit un nouveau type de piège magnétique naturel appelé piège à ligne dipolaire parallèle (piège PDL), comme le montre la figure 2b. Le piège magnétique PDL peut être utilisé comme plate-forme la plus récente pour une variété d'applications de capteurs, comme un inclinomètre, un sismomètre (capteur de tremblement de terre). De nouveaux systèmes de capteurs similaires, ainsi que des technologies de Big Data, peuvent ouvrir de nombreuses nouvelles applications et sont à l'étude par l'équipe IBM Research, qui développe une plate-forme d'analyse de Big Data appelée IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), qui contient de nombreuses données géospatiales et l'Internet des objets Internet des objets. (IdO).
Étonnamment, le même élément PDL a une autre utilisation unique. Lorsqu'il tourne, il sert de système idéal pour l'expérience photo-Hall pour recevoir des oscillations harmoniques unidirectionnelles et pures du champ magnétique (Figure Figure 2c). Plus important encore, le système fournit suffisamment d'espace pour permettre l'illumination d'une grande zone de l'échantillon, ce qui est essentiel dans les expériences de photo-hall.
Influence
La nouvelle méthode développée pour le hall photo nous permet d'extraire une quantité incroyable d'informations à partir de semi-conducteurs. Contrairement à seulement trois paramètres obtenus dans la mesure Hall classique, cette nouvelle méthode apporte jusqu'à sept paramètres pour chacune des intensités lumineuses testées. Cela comprend la mobilité des électrons et des trous; la concentration de leur porteur sous l'influence de la lumière; durée de vie de la recombinaison; et longueur de diffusion pour les électrons, les trous et le type ambipolaire. Tout cela peut être répété N fois (c'est-à-dire le nombre de paramètres d'intensité lumineuse utilisés dans l'expérience).
Ces nouvelles découvertes et technologies aideront à faire progresser les semi-conducteurs dans les technologies existantes et émergentes. Nous avons maintenant les connaissances et les outils nécessaires pour extraire les détails physiques des matériaux semi-conducteurs avec beaucoup de détails. Par exemple, il contribuera à accélérer le développement de la technologie des semi-conducteurs de nouvelle génération, comme les meilleurs panneaux solaires, les meilleurs dispositifs optoélectroniques et de nouveaux matériaux et dispositifs pour les technologies de l'intelligence artificielle.
L' article original a été publié le 7 octobre 2019 sur le blog IBM Research .
Traduction: Nikolay Marin , Chief Technology Officer IBM en Russie et dans la CEI.