Halvledare är de grundläggande byggstenarna för digitala enheter. Förbättringar i halvledarfunktionalitet och prestanda möjliggör på samma sätt nästa generations applikationer för halvledare för beräkning, avkänning och energiomvandling. Ändå har forskare länge kämpat med begränsningar i sin förmåga att fullt ut förstå de elektroniska laddningarna inuti halvledarenheter och avancerade halvledarmaterial, begränsar forskarnas förmåga att driva ytterligare framsteg.

I en ny studie i tidskriften Natur , ett IBM Research-ledt samarbete beskriver ett spännande genombrott i ett 140-årigt mysterium i fysik-ett som gör det möjligt för forskare att låsa upp halvledarnas fysiska egenskaper i mycket större detalj och hjälpa till med utvecklingen av nya och förbättrade halvledarmaterial.

För att verkligen förstå halvledarnas fysik, vi måste först känna till de grundläggande egenskaperna hos laddningsbärarna inuti materialen, om dessa partiklar är positiva eller negativa, deras hastighet under ett applicerat elektriskt fält och hur tätt de är packade i materialet. Fysikern Edwin Hall hittade ett sätt att bestämma dessa fastigheter 1879, när han upptäckte att ett magnetfält kommer att avleda rörelsen av elektroniska laddningar inuti en ledare och att mängden avböjning kan mätas som en spänning vinkelrätt mot laddningsflödet som visas i fig. la. Denna spänning, känd som hallspänningen, låser upp viktig information om laddningsbärarna i en halvledare, inklusive om de är negativa elektroner eller positiva kvasi-partiklar som kallas "hål, "hur snabbt de rör sig i ett elektriskt fält eller deras" rörlighet "(µ) och deras densitet (n) inuti halvledaren.

En 140-årig hemlighet

Årtionden efter Halls upptäckt, forskare insåg också att de kan utföra Hall-effektmätningen med ljus-som kallas foto-Hall-experiment, såsom visas i fig. 1b. I sådana experiment, ljusbelysningen genererar flera bärare eller elektronhålspar i halvledarna. Tyvärr, förståelsen av den grundläggande Hall -effekten gav kunskap om endast den dominerande laddningsbäraren (eller majoritetsbäraren). Forskarna kunde inte extrahera egenskaperna hos båda bärarna (majoritets- och minoritetsbärarna) samtidigt. Sådan information är avgörande för många applikationer som involverar ljus som solceller och andra optoelektroniska enheter.

IBM Researchs studie i Natur låser upp en av Hall-effektens länge hemliga hemlighet. Forskare från KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), KRICT (Korea Research Institute of Chemical Technology), Duke University, och IBM upptäckte en ny formel och teknik för att extrahera majoritets- och minoritetsbärarinformation, såsom densitet och rörlighet, samt att få ytterligare insikter om transportörens livstid, diffusionslängder och rekombinationsprocessen.

För att vara mer specifik, i foto-Hall-experimentet, båda bärarna bidrar till förändringar i konduktivitet (σ) och Hall -koefficient (H, som är proportionell mot förhållandet mellan Hall -spänningen och magnetfältet). Den viktigaste insikten kommer från att mäta konduktiviteten och Hall -koefficienten som en funktion av ljusintensiteten. Dold i banan för konduktivitet-Hall-koefficient (σ-H) kurva, avslöjar en avgörande ny information:skillnaden i rörlighet för båda transportörerna. Som diskuteras i tidningen, detta förhållande kan uttryckas elegant som:Δµ =d (σ²H)/dσ

Börjar med en känd majoritet bärartäthet från den traditionella Hall -mätningen i mörkret, forskarna löste för både majoritets- och minoritetsbärarmobilitet och densitet som en funktion av ljusintensiteten. Teamet namngav den nya tekniken Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH) -mätning. Med en känd ljusbelysningsintensitet, bärarens livslängd kan på samma sätt fastställas. Detta förhållande och de relaterade lösningarna har varit dolda i nästan ett och ett halvt sekel, sedan upptäckten av Hall -effekten.

Utöver framsteg i denna teoretiska förståelse, framsteg inom experimentell teknik är också avgörande för att möjliggöra denna nya teknik. Tekniken kräver en ren Hall -signalmätning, som kan vara utmanande för material där Hall -signalen är svag (t.ex. på grund av låg rörlighet) eller när extra oönskade signaler är närvarande, t.ex. under starkt ljus. För det här syftet, man måste utföra Hall -mätningen med ett oscillerande (ac) magnetfält. Som att lyssna på radio, man måste välja önskad stationsfrekvens medan man avvisar alla andra frekvenser som fungerar som brus. CRPH -tekniken går ett steg längre och väljer inte bara önskad frekvens, men också till fasen av det oscillerande magnetfältet i en teknik som kallas inlåsningssökning. Detta koncept med AC Hall -mätning har länge varit känt, men den traditionella tekniken med ett elektromagnetiskt spolsystem för att generera AC -magnetfältet var ineffektivt.

En föregångarfyndighet

Som det ofta förekommer inom vetenskapen, framsteg inom ett område utlöses av upptäckter i ett annat. År 2015, IBM Research rapporterade ett tidigare okänt fenomen inom fysik relaterat till en ny magnetfältbegränsningseffekt, smeknamnet "kamelback" -effekten, som uppträder mellan två rader av tvärgående dipoler när de överskrider en kritisk längd som visas i fig. 2a. Effekten är en nyckelfunktion som möjliggör en ny typ av naturlig magnetisk fälla, kallad parallell dipollinje (PDL) fälla som visas i fig. 2b. PDL -magnetfällan kan fungera som en ny plattform för olika sensortillämpningar, såsom en tiltmeter och seismometer (jordbävningssensor). Sådana nya sensorsystem tillsammans med stor datateknik kan öppna många nya applikationer och studeras av IBM Research -teamet som utvecklar en plattdataanalysplattform som kallas IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), som är värd för otaliga geospatiala och Internet of Things (IoT) sensordata.

Samma PDL -element har en annan unik applikation. När den roteras, det fungerar som ett idealiskt system för ett foto-Hall-experiment för att få starka, enriktad och ren harmonisk magnetfältoscillation (fig 2c). Mer viktigt, systemet ger gott om utrymme för att tillåta stor yta belysning på provet, vilket är kritiskt i foto-Hall-experimentet.

Inverkan

Den nyutvecklade photo-Hall-tekniken extraherar en häpnadsväckande mängd information från halvledare. I motsats till endast tre parametrar som erhållits i den klassiska Hall -mätningen, denna nya teknik ger upp till sju parametrar vid varje testad ljusintensitet. Dessa inkluderar rörligheten för både elektron och hål; deras bärartäthet under ljus; rekombinationstid; och diffusionslängder för elektron, hål och ambipolär typ. Alla dessa kan upprepas N gånger (dvs. antalet ljusintensitetsinställningar som används i experimentet).

Denna nya upptäckt och teknik kommer att hjälpa till att driva fram halvledarframsteg inom både befintlig och framväxande teknik. Det ger den kunskap och de verktyg som behövs för att extrahera de fysiska egenskaperna hos halvledarmaterial i detalj. Till exempel, detta kan påskynda utvecklingen av nästa generations halvledarteknik, till exempel bättre solceller, bättre optoelektroniska enheter och nya material och enheter för artificiell intelligensteknik.