Terjemahan sebuah artikel oleh IBM Research.
Sebuah terobosan penting dalam fisika akan memungkinkan kita untuk mempelajari karakteristik fisik semikonduktor secara lebih rinci. Mungkin ini akan membantu mempercepat pengembangan teknologi semikonduktor generasi berikutnya.
Penulis:
Oki Gunawan - Anggota Staf, IBM Research
Doug Bishop - Characterization Engineer, IBM Research
Semikonduktor adalah blok bangunan utama dari era digital dan elektronik saat ini, memberi kami berbagai perangkat yang bermanfaat bagi kehidupan modern kita, seperti komputer, smartphone, dan perangkat seluler lainnya. Peningkatan fungsionalitas dan kinerja semikonduktor juga memungkinkan generasi semikonduktor berikutnya digunakan untuk komputasi, mengenali, dan mentransformasikan energi. Para peneliti telah lama berjuang untuk mengatasi keterbatasan kemampuan kita untuk memahami sepenuhnya muatan elektronik di dalam perangkat semikonduktor dan bahan semikonduktor canggih yang menahan kemampuan kita untuk bergerak maju.
Dalam sebuah studi baru di jurnal Nature, penelitian bersama yang dipimpin oleh IBM Research menggambarkan terobosan menarik dalam mengungkap misteri 140 tahun dalam fisika, yang akan memungkinkan kita untuk mempelajari karakteristik fisik semikonduktor secara lebih rinci dan memungkinkan pengembangan bahan semikonduktor yang baru dan lebih baik.
Untuk benar-benar memahami fisika semikonduktor, pertama-tama kita harus memahami sifat dasar pembawa muatan di dalam material, apakah itu partikel negatif atau positif, kecepatannya dalam medan listrik terapan, dan seberapa padatnya dikemas dalam material tersebut. Fisikawan Edwin Hall menemukan cara untuk menentukan sifat-sifat ini pada tahun 1879 ketika ia menemukan bahwa medan magnet akan membelokkan pergerakan muatan elektronik di dalam sebuah konduktor, dan bahwa lendutan dapat diukur sebagai perbedaan potensial yang tegak lurus terhadap aliran diarahkan partikel-partikel bermuatan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1a. Tegangan ini, dikenal sebagai tegangan Hall, mengungkapkan informasi signifikan tentang pembawa muatan dalam semikonduktor, termasuk apakah mereka adalah elektron negatif atau partikel semikonduktor positif yang disebut "lubang", seberapa cepat mereka bergerak di medan listrik, atau "mobilitas" (ฮผ) , dan konsentrasi mereka (n) di dalam semikonduktor.
140 tahun misteri
Puluhan tahun setelah penemuan Hall, para peneliti juga menemukan bahwa mereka dapat mengukur efek Hall dengan eksperimen cahaya yang disebut Photo Hall, lihat Gambar 1b. Dalam percobaan semacam itu, penerangan cahaya menghasilkan banyak pembawa atau pasangan lubang elektron dalam semikonduktor. Sayangnya, pemahaman kami tentang efek Hall utama memberikan wawasan hanya operator muatan utama (atau operator mayoritas). Para peneliti tidak dapat mengekstraksi parameter dari kedua operator (primer dan sekunder) pada saat yang sama. Informasi tersebut adalah kunci untuk banyak aplikasi yang berhubungan dengan cahaya, seperti panel surya dan perangkat optoelektronik lainnya.
Sebuah studi oleh IBM Research dalam jurnal Nature mengungkapkan salah satu rahasia lama efek Hall. Para peneliti dari Institut Sains dan Teknologi Korea Lanjut (KAIST), Institut Penelitian Teknologi Kimia Korea (KRICT), Universitas Duke, dan IBM telah menemukan formula dan teknik baru yang memungkinkan kami untuk secara bersamaan mengekstrak informasi tentang dukungan utama dan non-dasar, seperti konsentrasi dan mobilitasnya, serta memperoleh informasi tambahan tentang durasi pembawa, panjang difusi dan proses rekombinasi.
Lebih khusus lagi, dalam percobaan foto-Hall, kedua pembawa berkontribusi terhadap perubahan konduktivitas (ฯ) dan koefisien Hall (H, sebanding dengan rasio tegangan Hall ke medan magnet). Wawasan utama berasal dari pengukuran konduktivitas dan koefisien Hall sebagai fungsi dari intensitas cahaya. Tersembunyi dalam bentuk kurva konduktivitas, koefisien Hall (ฯ-H) menunjukkan informasi baru yang fundamental: perbedaan dalam mobilitas kedua pembawa. Seperti yang dibahas dalam artikel, hubungan ini dapat diungkapkan secara elegan:
$$ menampilkan $$ ฮยต = d (ฯยฒH) / dฯ $$ menampilkan $$
Dimulai dengan kepadatan pembawa yang diketahui dari sebagian besar pengukuran Hall tradisional dalam gelap, kami dapat mengungkapkan bagi mayoritas dan minoritas mobilitas dan kepadatan pembawa sebagai fungsi intensitas cahaya. Tim memanggil metode pengukuran baru: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH), yang diizinkan oleh operator. Dengan intensitas cahaya yang diketahui, masa pakai pembawa dapat diatur dengan cara yang sama. Koneksi ini dan keputusan terkait telah disembunyikan selama hampir satu setengah abad sejak penemuan efek Hall.
Selain kemajuan dalam pemahaman teoritis ini, kemajuan dalam metode eksperimental juga penting untuk menyediakan metode baru ini. Metode ini memerlukan pengukuran sinyal Hall yang bersih, yang bisa menyulitkan material di mana sinyal Hall lemah (misalnya, karena mobilitas rendah) atau ketika ada sinyal yang tidak diinginkan tambahan, seperti dengan paparan cahaya yang kuat. Untuk ini, perlu untuk melakukan pengukuran Hall menggunakan medan magnet berosilasi. Seperti halnya mendengarkan radio, Anda harus memilih frekuensi stasiun yang diinginkan, membuang semua frekuensi lain yang bertindak sebagai noise. Metode CRPH mengambil langkah maju, dan memilih tidak hanya frekuensi yang diinginkan, tetapi juga fase medan magnet berosilasi sesuai dengan metode yang disebut penentuan sinkron. Konsep pengukuran Hall berosilasi ini telah lama diketahui, tetapi metode tradisional yang menggunakan sistem kumparan elektromagnetik untuk menghasilkan medan magnet berosilasi tidak efektif.
Pembukaan sebelumnya
Seperti yang sering terjadi dalam sains, kemajuan di satu bidang disebabkan oleh penemuan di bidang lain. Pada 2015, IBM Research melaporkan fenomena fisika yang sebelumnya tidak diketahui terkait dengan efek medan magnet baru yang disebut efek "unta punuk" yang terjadi antara dua garis dipol melintang ketika mereka melebihi panjang kritis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Efeknya adalah fitur kunci yang menyediakan jenis baru perangkap magnetik alami yang disebut perangkap garis dipol paralel (perangkap PDL), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Perangkap magnetik PDL dapat digunakan sebagai platform terbaru untuk berbagai aplikasi sensorik, seperti tiltmeter, seismometer (sensor gempa). Sistem sensor baru yang serupa, bersama dengan teknologi data besar, dapat membuka banyak aplikasi baru, dan sedang dipelajari oleh tim Riset IBM, yang sedang mengembangkan platform analisis data besar yang disebut Layanan Repositori Terpadu Analisis Fisik IBM (PAIRS), yang berisi banyak data geospasial dan Internet of Things Internet of Things (IoT).
Anehnya, elemen PDL yang sama memiliki kegunaan lain yang unik. Ketika diputar, ini berfungsi sebagai sistem yang ideal untuk eksperimen foto-Hall untuk menerima osilasi harmonik searah dan murni dari medan magnet (Gambar Gambar 2c). Lebih penting lagi, sistem ini menyediakan ruang yang cukup untuk memungkinkan penerangan area spesimen yang luas, yang sangat penting dalam eksperimen aula foto.
Pengaruh
Metode baru yang dikembangkan untuk ruang foto memungkinkan kita untuk mengekstraksi sejumlah informasi yang luar biasa dari semikonduktor. Tidak seperti hanya tiga parameter yang diperoleh dalam pengukuran Hall klasik, metode baru ini membawa hingga tujuh parameter untuk masing-masing intensitas cahaya yang diuji. Ini termasuk mobilitas elektron dan lubang; konsentrasi pembawa mereka di bawah pengaruh cahaya; seumur hidup rekombinasi; dan panjang difusi untuk elektron, lubang, dan tipe ambipolar. Semua ini dapat diulang N kali (mis., Jumlah parameter intensitas cahaya yang digunakan dalam percobaan).
Penemuan dan teknologi baru ini akan membantu memajukan kemajuan semikonduktor baik dalam teknologi yang ada maupun yang sedang muncul. Kami sekarang memiliki pengetahuan dan alat yang diperlukan untuk mengekstraksi karakteristik fisik bahan semikonduktor dengan sangat detail. Sebagai contoh, ini akan membantu mempercepat pengembangan teknologi semikonduktor generasi mendatang, seperti panel surya terbaik, perangkat optoelektronik terbaik, dan material dan perangkat baru untuk teknologi kecerdasan buatan.
Artikel asli diterbitkan pada 7 Oktober 2019 di blog IBM Research .
Terjemahan: Nikolay Marin , Kepala Staf Teknologi IBM di Rusia dan CIS.