Tradução de um artigo da IBM Research.
Um avanço importante na física nos permitirá estudar as características físicas dos semicondutores com muito mais detalhes. Talvez isso ajude a acelerar o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores de última geração.
Autores:
Oki Gunawan - Membro da equipe, IBM Research
Doug Bishop - Engenheiro de Caracterização, Pesquisa IBM
Os semicondutores são os principais componentes da era digital e eletrônica de hoje, fornecendo uma variedade de dispositivos que beneficiam nossa vida moderna, como computadores, smartphones e outros dispositivos móveis. Melhorias na funcionalidade e desempenho dos semicondutores também permitem que a próxima geração de semicondutores seja usada para computar, reconhecer e transformar energia. Os pesquisadores há muito lutam para superar as limitações de nossa capacidade de entender completamente as cargas eletrônicas dentro de dispositivos semicondutores e materiais semicondutores avançados que impedem nossa capacidade de avançar.
Em um novo estudo na revista Nature, uma co-autoria de pesquisa liderada pela IBM Research descreve uma emocionante descoberta na descoberta de um mistério de 140 anos na física, que nos permitirá estudar as características físicas dos semicondutores com muito mais detalhes e permitir o desenvolvimento de novos e aprimorados materiais semicondutores.
Para realmente entender a física dos semicondutores, precisamos primeiro entender as propriedades fundamentais dos portadores de carga no interior dos materiais, sejam partículas positivas ou negativas, sua velocidade em um campo elétrico aplicado e a densidade de empacotamento no material. O físico Edwin Hall encontrou uma maneira de determinar essas propriedades em 1879, quando descobriu que um campo magnético desviaria o movimento de cargas eletrônicas dentro de um condutor e que a magnitude da deflexão poderia ser medida como a diferença de potencial perpendicular ao fluxo direcionado de partículas carregadas, como mostra a Figura 1a. Essa voltagem, conhecida como voltagem de Hall, revela informações significativas sobre portadores de carga em um semicondutor, incluindo se são elétrons negativos ou quasipartículas positivas chamadas “buracos”, quão rápido eles se movem em um campo elétrico ou sua “mobilidade” (µ) , e sua concentração (n) dentro do semicondutor.
140 anos de mistério
Décadas após a descoberta de Hall, os pesquisadores também descobriram que podiam medir o efeito Hall com experimentos de luz chamados Photo Hall, veja a Figura 1b. Em tais experiências, a iluminação da luz gera múltiplos portadores ou pares de elétrons-orifícios nos semicondutores. Infelizmente, nossa compreensão do principal efeito Hall forneceu informações apenas sobre as principais operadoras de cobrança (ou operadoras majoritárias). Os pesquisadores não conseguiram extrair os parâmetros de ambos os portadores (primário e secundário) ao mesmo tempo. Essas informações são essenciais para muitas aplicações relacionadas à luz, como painéis solares e outros dispositivos optoeletrônicos.
Um estudo da IBM Research na revista Nature revela um dos segredos de longa data do efeito Hall. Pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia (KAIST), do Instituto de Pesquisa Coréia de Tecnologia Química (KRICT), da Universidade de Duke e da IBM descobriram uma nova fórmula e técnica que permite extrair simultaneamente informações sobre o suporte principal e não básico, como concentração e mobilidade, além de obter informações adicionais sobre a duração do transportador, o comprimento da difusão e o processo de recombinação.
Mais especificamente, em um experimento de foto-salão, ambas as transportadoras contribuem para alterações na condutividade (σ) e no coeficiente de Hall (H, proporcional à razão da tensão de Hall para o campo magnético). Os principais insights vêm da medição da condutividade e do coeficiente de Hall em função da intensidade da luz. Escondido na forma de uma curva de condutividade, o coeficiente de Hall (σ-H) mostra informações fundamentalmente novas: a diferença na mobilidade de ambas as transportadoras. Como discutido no artigo, esse relacionamento pode ser elegantemente expresso:
$$ exibição $$ Δµ = d (σ²H) / dσ $$ exibição $$
Começando com a densidade de portadora conhecida na maioria das medições tradicionais de Hall no escuro, podemos revelar tanto para a maioria quanto para a minoria a mobilidade e a densidade de portadoras em função da intensidade da luz. A equipe chamou o novo método de medição: Photo Port Resolved Carrier (CRPH), que foi permitido pela transportadora. Com uma intensidade conhecida de iluminação, o tempo de vida do transportador pode ser definido de maneira semelhante. Essa conexão e decisões relacionadas estão ocultas há quase um século e meio desde a descoberta do efeito Hall.
Além dos avanços nesse entendimento teórico, os avanços nos métodos experimentais também são cruciais para fornecer esse novo método. O método requer uma medição limpa do sinal de Hall, o que pode ser difícil para materiais em que o sinal de Hall é fraco (por exemplo, devido à baixa mobilidade) ou quando sinais indesejados adicionais estão presentes, como na forte exposição à luz. Para isso, é necessário realizar uma medição de Hall usando um campo magnético oscilante. Assim como ouvir rádio, você deve selecionar a frequência da estação desejada, descartando todas as outras frequências que atuam como ruído. O método CRPH dá um passo à frente e seleciona não apenas a frequência desejada, mas também a fase do campo magnético oscilante de acordo com um método chamado determinação síncrona. Esse conceito de medição de Hall oscilante é conhecido há muito tempo, mas o método tradicional de usar um sistema de bobinas eletromagnéticas para gerar um campo magnético oscilante era ineficaz.
Abertura anterior
Como costuma acontecer na ciência, os avanços em uma área são causados por descobertas em outra. Em 2015, a IBM Research anunciou um fenômeno anteriormente desconhecido na física relacionado a um novo efeito de campo magnético chamado efeito "camel hump" que ocorre entre duas linhas de dipolos transversais quando excedem um comprimento crítico, como mostra a Figura 2a. O efeito é um recurso importante que fornece um novo tipo de armadilha magnética natural chamada armadilha da linha dipolar paralela (armadilha PDL), como mostra a Figura 2b. A armadilha magnética PDL pode ser usada como a plataforma mais recente para uma variedade de aplicações sensoriais, como medidor de inclinação, sismômetro (sensor de terremoto). Novos sistemas de sensores semelhantes, juntamente com tecnologias de big data, podem abrir muitos aplicativos novos e estão sendo estudados pela equipe de Pesquisa da IBM, que está desenvolvendo uma plataforma de análise de big data chamada PAIRS (Serviço de Repositório Integrado do IBM Physical Analytics), que contém muitos dados geoespaciais e a Internet das Coisas. (IoT).
Surpreendentemente, o mesmo elemento PDL tem outro uso exclusivo. Quando gira, serve como um sistema ideal para que um experimento de Photo Hall receba oscilações harmônicas unidirecionais e puras do campo magnético (Figura Figura 2c). Mais importante, o sistema fornece espaço suficiente para permitir a iluminação de uma grande área da amostra, o que é crítico em experimentos de foto-hall.
Influência
O novo método desenvolvido para o salão de fotos nos permite extrair uma quantidade incrível de informações dos semicondutores. Diferentemente dos três parâmetros obtidos na medição clássica de Hall, esse novo método traz até sete parâmetros para cada uma das intensidades de luz testadas. Isso inclui a mobilidade de elétrons e buracos; a concentração de seu transportador sob a influência da luz; vida útil da recombinação; e comprimento de difusão para elétrons, orifícios e tipo ambipolar. Tudo isso pode ser repetido N vezes (isto é, o número de parâmetros de intensidade de luz usados no experimento).
Essa nova descoberta e tecnologia ajudará a avançar os avanços dos semicondutores nas tecnologias existentes e emergentes. Agora, temos o conhecimento e as ferramentas necessárias para extrair as características físicas dos materiais semicondutores com grande detalhe. Por exemplo, ajudará a acelerar o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores de última geração, como os melhores painéis solares, os melhores dispositivos optoeletrônicos e novos materiais e dispositivos para tecnologias de inteligência artificial.
O artigo original foi publicado em 7 de outubro de 2019 no blog IBM Research .
Tradução: Nikolay Marin , diretor de tecnologia IBM na Rússia e na CEI.