Lås op for en 140-årig hemmelighed i fysik

Halvledere er de grundlæggende byggesten i digitale enheder. Forbedringer i halvlederfunktionalitet og ydeevne muliggør ligeledes næste generations applikationer af halvledere til computing, sansning og energiomsætning. Alligevel har forskere længe kæmpet med begrænsninger i deres evne til fuldt ud at forstå de elektroniske ladninger inde i halvlederenheder og avancerede halvledermaterialer, begrænser forskernes evne til at drive yderligere fremskridt.

I en ny undersøgelse i tidsskriftet Natur , et IBM Research-ledet samarbejde beskriver et spændende gennembrud i et 140-årigt mysterium i fysik-et, der gør det muligt for forskere at låse halvlederes fysiske egenskaber op i langt større detaljer og hjælpe med udviklingen af ​​nye og forbedrede halvledermaterialer.

For virkelig at forstå halvlederes fysik, vi skal først kende de grundlæggende egenskaber for ladningsbærerne inde i materialerne, om disse partikler er positive eller negative, deres hastighed under et påført elektrisk felt, og hvor tæt de er pakket i materialet. Fysikeren Edwin Hall fandt en måde at bestemme disse egenskaber i 1879, da han opdagede, at et magnetfelt vil aflede bevægelsen af ​​elektroniske ladninger inde i en leder, og at nedbøjningsmængden kan måles som en spænding vinkelret på ladningsstrømmen som vist i fig. 1a. Denne spænding, kendt som Hall -spændingen, låser vigtige oplysninger om ladningsbærerne op i en halvleder, herunder om de er negative elektroner eller positive kvasi-partikler kaldet "huller, "hvor hurtigt de bevæger sig i et elektrisk felt eller deres" mobilitet "(µ) og deres tæthed (n) inde i halvlederen.

En 140-årig hemmelighed

Årtier efter Halls opdagelse, forskere erkendte også, at de kan udføre Hall-effektmåling med lys-som kaldes foto-Hall-eksperimenter, som vist i fig. 1b. I sådanne forsøg, lysbelysningen genererer flere bærere eller elektronhulpar i halvlederne. Desværre, forståelsen af ​​den grundlæggende Hall -effekt gav kun indsigt i den dominerende ladningsbærer (eller majoritetsbærer). Forskerne var ikke i stand til at udtrække egenskaberne af begge transportører (flertallet og minoritetsbærerne) samtidigt. Sådanne oplysninger er afgørende for mange applikationer, der involverer lys, såsom solceller og andre optoelektroniske enheder.

IBM Research's undersøgelse i Natur låser op for en af ​​Hall-effektens længe bevarede hemmelighed. Forskere fra KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), KRICT (Korea Research Institute of Chemical Technology), Duke University, og IBM opdagede en ny formel og teknik til at udtrække flertals- og minoritetsbærerinformation såsom tæthed og mobilitet, samt at få yderligere indsigt i transportørens levetid, diffusionslængder og rekombinationsprocessen.

For at være mere specifik, i foto-Hall-eksperimentet, begge bærere bidrager til ændringer i ledningsevne (σ) og Hall -koefficient (H, som er proportional med forholdet mellem Hall -spændingen og magnetfeltet). Den centrale indsigt kommer fra måling af ledningsevnen og Hall -koefficienten som en funktion af lysintensiteten. Skjult i kurven for konduktivitet-Hall-koefficient (σ-H) kurve, afslører en afgørende ny information:forskellen i mobilitet for begge transportører. Som diskuteret i avisen, dette forhold kan udtrykkes elegant som:Δµ =d (σ²H)/dσ

Startende med en kendt flertallet af bærertæthed fra den traditionelle Hall -måling i mørket, forskerne løste for både flertals- og minoritetsbærermobilitet og tæthed som en funktion af lysintensitet. Teamet navngav den nye teknik Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH) -måling. Med en kendt lysbelysningsintensitet, transportørens levetid kan ligeledes fastslås. Dette forhold og de relaterede løsninger har været skjult i næsten halvandet århundrede, siden opdagelsen af ​​Hall -effekten.

Ud over fremskridt i denne teoretiske forståelse, fremskridt inden for eksperimentelle teknikker er også afgørende for at muliggøre denne nye teknik. Teknikken kræver en ren Hall -signalmåling, som kan være udfordrende for materialer, hvor Hall -signalet er svagt (f.eks. på grund af lav mobilitet) eller når der er ekstra uønskede signaler, såsom under stærkt lysbelysning. Til dette formål, man skal udføre Hall -målingen med et oscillerende (ac) magnetfelt. Som at lytte til radio, man skal vælge den ønskede stations frekvens, mens man afviser alle andre frekvenser, der fungerer som støj. CRPH -teknikken går et skridt videre og vælger ikke kun den ønskede frekvens, men også til fasen af ​​det oscillerende magnetfelt i en teknik kaldet lock-in-detektion. Dette koncept med AC Hall -måling har længe været kendt, men den traditionelle teknik ved hjælp af et elektromagnetisk spolesystem til at generere AC -magnetfeltet var ineffektivt.

En forløberfund

Som det ofte forekommer i videnskaben, fremskridt på et område udløses af opdagelser i et andet. I 2015, IBM Research rapporterede et tidligere ukendt fænomen inden for fysik relateret til en ny magnetfeltindeslutningseffekt, tilnavnet "camelback" -effekten, som forekommer mellem to linjer af tværgående dipoler, når de overstiger en kritisk længde som vist i fig. 2a. Effekten er en nøglefunktion, der muliggør en ny type naturlig magnetisk fælde, kaldet parallel dipol line (PDL) fælde som vist i fig. 2b. PDL -magnetfælden kunne tjene som en ny platform til forskellige sensorapplikationer, såsom et tiltmeter og seismometer (jordskælvsensor). Sådanne nye sensorsystemer sammen med big datateknologi kan åbne mange nye applikationer og undersøges af IBM Research -teamet, der udvikler en big data analytics platform kaldet IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), der er vært for utallige geospatiale og Internet of Things (IoT) sensordata.

Det samme PDL -element har en anden unik applikation. Når den roteres, det fungerer som et ideelt system til et foto-Hall-eksperiment for at opnå stærke, ensrettet og ren harmonisk magnetfeltoscillation (figur 2c). Vigtigere, systemet giver rigelig plads til at tillade stort område belysning på prøven, hvilket er kritisk i foto-Hall-eksperimentet.

Sammenstødet

Den nyudviklede foto-Hall-teknik udtrækker en forbløffende mængde information fra halvledere. I modsætning til kun tre parametre opnået i den klassiske Hall -måling, denne nye teknik giver op til syv parametre ved hver testet lysintensitet. Disse omfatter mobiliteten for både elektron og hul; deres bæreevne under lys; rekombinations levetid og diffusionslængder for elektron, huller og ambipolar type. Alle disse kan gentages N gange (dvs. antallet af lysintensitetsindstillinger, der blev brugt i forsøget).

Denne nye opdagelse og teknologi vil hjælpe med at skubbe halvlederfremskridt inden for både eksisterende og nye teknologier. Det giver den viden og de værktøjer, der er nødvendige for at udtrække de halvledermaterialers fysiske egenskaber i detaljer. For eksempel, dette kan fremskynde udviklingen af ​​næste generations halvlederteknologi såsom bedre solceller, bedre optoelektroniske enheder og nye materialer og enheder til kunstig intelligens teknologi.