Halfgeleiders zijn de basisbouwstenen van digitale apparaten. Verbeteringen in de functionaliteit en prestaties van halfgeleiders maken eveneens toepassingen van de volgende generatie van halfgeleiders voor computergebruik mogelijk, detectie en energieomzetting. Toch hebben onderzoekers lang geworsteld met beperkingen in hun vermogen om de elektronische ladingen in halfgeleiderapparaten en geavanceerde halfgeleidermaterialen volledig te begrijpen, het beperken van het vermogen van onderzoekers om verdere vooruitgang te boeken.

In een nieuwe studie in het tijdschrift Natuur , een door IBM Research geleide samenwerking beschrijft een opwindende doorbraak in een 140 jaar oud mysterie in de natuurkunde - een die onderzoekers in staat stelt de fysieke kenmerken van halfgeleiders veel gedetailleerder te ontsluiten en te helpen bij de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde halfgeleidermaterialen.

Om de fysica van halfgeleiders echt te begrijpen, we moeten eerst de fundamentele eigenschappen van de ladingsdragers in de materialen kennen, of die deeltjes positief of negatief zijn, hun snelheid onder een aangelegd elektrisch veld en hoe dicht ze in het materiaal zijn gepakt. Natuurkundige Edwin Hall vond in 1879 een manier om die eigenschappen te bepalen, toen hij ontdekte dat een magnetisch veld de beweging van elektronische ladingen in een geleider zal afbuigen en dat de mate van afbuiging kan worden gemeten als een spanning loodrecht op de ladingsstroom, zoals weergegeven in figuur 1a. Deze spanning, bekend als de Hall-spanning, ontsluit essentiële informatie over de ladingsdragers in een halfgeleider, inclusief of het negatieve elektronen of positieve quasi-deeltjes zijn die "gaten, " hoe snel ze bewegen in een elektrisch veld of hun "mobiliteit" (µ) en hun dichtheid (n) in de halfgeleider.

Een 140 jaar oud geheim

Decennia na de ontdekking van Hall, onderzoekers erkenden ook dat ze de Hall-effectmeting met licht kunnen uitvoeren - die foto-Hall-experimenten worden genoemd, zoals getoond in Fig. 1b. Bij dergelijke experimenten de lichtverlichting genereert meerdere dragers of elektronengatparen in de halfgeleiders. Helaas, het begrip van het basis Hall-effect verschafte alleen inzicht in de dominante ladingsdrager (of meerderheidsdrager). De onderzoekers konden de eigenschappen van beide dragers (de meerderheids- en minderheidsdragers) niet tegelijkertijd extraheren. Dergelijke informatie is cruciaal voor veel toepassingen waarbij licht betrokken is, zoals zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten.

IBM Research's studie in Natuur ontgrendelt een van de lang gekoesterde geheimen van het Hall-effect. Onderzoekers van KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), KRICT (Korea Research Institute of Chemical Technology), Duke universiteit, en IBM ontdekte een nieuwe formule en techniek om de meerderheids- en minderheidsdragerinformatie, zoals dichtheid en mobiliteit, te extraheren, en om aanvullende inzichten te krijgen over de levensduur van dragers, diffusielengtes en het recombinatieproces.

Om specifieker te zijn, in het foto-Hall-experiment, beide dragers dragen bij aan veranderingen in geleidbaarheid (σ) en Hall-coëfficiënt (H, die evenredig is met de verhouding van de Hall-spanning tot het magnetische veld). Het belangrijkste inzicht komt van het meten van de geleidbaarheid en Hall-coëfficiënt als functie van de lichtintensiteit. Verborgen in het traject van de geleidbaarheid-Hall-coëfficiënt (σ-H) curve, onthult een cruciale nieuwe informatie:het verschil in mobiliteit van beide vervoerders. Zoals besproken in de krant, deze relatie kan elegant worden uitgedrukt als:Δµ =d (σ²H)/dσ

Beginnend met een bekende meerderheidsdragerdichtheid van de traditionele Hall-meting in het donker, de onderzoekers hebben de mobiliteit en dichtheid van zowel meerderheids- als minderheidsdragers opgelost als een functie van de lichtintensiteit. Het team noemde de nieuwe techniek Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH)-meting. Met een bekende lichtintensiteit, de levensduur van de drager kan op dezelfde manier worden vastgesteld. Deze relatie en de bijbehorende oplossingen zijn al bijna anderhalve eeuw verborgen, sinds de ontdekking van het Hall-effect.

Naast de vooruitgang in dit theoretische begrip, vooruitgang in experimentele technieken zijn ook van cruciaal belang om deze nieuwe techniek mogelijk te maken. De techniek vereist een zuivere Hall-signaalmeting, wat een uitdaging kan zijn voor materialen waar het Hall-signaal zwak is (bijvoorbeeld door lage mobiliteit) of wanneer er extra ongewenste signalen aanwezig zijn, zoals onder sterke lichtverlichting. Voor dit doeleinde, men moet de Hall-meting uitvoeren met een oscillerend (ac) magnetisch veld. Zoals radio luisteren, men moet de frequentie van het gewenste station selecteren en alle andere frequenties die als ruis fungeren, afwijzen. De CRPH-techniek gaat een stap verder en selecteert niet alleen de gewenste frequentie, maar ook naar de fase van het oscillerende magnetische veld in een techniek die lock-in-detectie wordt genoemd. Dit concept van AC Hall-meting is al lang bekend, maar de traditionele techniek waarbij een elektromagnetisch spoelsysteem werd gebruikt om het wisselstroommagneetveld te genereren, was inefficiënt.

Een voorloper ontdekking

Zoals vaak gebeurt in de wetenschap, vooruitgang op het ene gebied wordt veroorzaakt door ontdekkingen op een ander gebied. in 2015, IBM Research rapporteerde een voorheen onbekend fenomeen in de natuurkunde gerelateerd aan een nieuw magnetisch veldbeperkingseffect, bijgenaamd het "camelback"-effect, die optreedt tussen twee lijnen van transversale dipolen wanneer ze een kritische lengte overschrijden, zoals weergegeven in figuur 2a. Het effect is een belangrijk kenmerk dat een nieuw type natuurlijke magnetische val mogelijk maakt, parallelle dipoollijn (PDL) trap genoemd, zoals weergegeven in figuur 2b. De PDL magnetische val zou kunnen dienen als nieuw platform voor verschillende sensortoepassingen zoals een tiltmeter en seismometer (aardbevingssensor). Dergelijke nieuwe sensorsystemen kunnen samen met big data-technologie veel nieuwe toepassingen openen en worden bestudeerd door het IBM Research-team dat een big data-analyseplatform ontwikkelt met de naam IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), die talloze geospatiale en Internet of Things (IoT) sensorgegevens host.

Hetzelfde PDL-element heeft nog een andere unieke toepassing. Wanneer gedraaid, het dient als een ideaal systeem voor een photo-Hall-experiment om sterke, unidirectionele en pure harmonische magnetische veldoscillatie (figuur 2c). Belangrijker, het systeem biedt voldoende ruimte om een ​​groot oppervlak op het monster te verlichten, wat cruciaal is in het photo-Hall-experiment.

De gevolgen

De nieuw ontwikkelde photo-Hall-techniek haalt een verbazingwekkende hoeveelheid informatie uit halfgeleiders. In tegenstelling tot slechts drie parameters verkregen in de klassieke Hall-meting, deze nieuwe techniek levert bij elke geteste lichtintensiteit tot zeven parameters op. Deze omvatten de mobiliteit voor zowel elektron als gat; hun dragerdichtheid onder licht; recombinatie levensduur; en diffusielengtes voor elektronen, gaten en ambipolaire type. Al deze kunnen N keer worden herhaald (d.w.z. het aantal instellingen voor lichtintensiteit dat in het experiment is gebruikt).

Deze nieuwe ontdekking en technologie zullen de vooruitgang van halfgeleiders in zowel bestaande als opkomende technologieën helpen stimuleren. Het biedt de kennis en tools die nodig zijn om de fysieke kenmerken van halfgeleidermaterialen tot in detail te extraheren. Bijvoorbeeld, dit zou de ontwikkeling van de volgende generatie halfgeleidertechnologie kunnen versnellen, zoals betere zonnecellen, betere opto-elektronica en nieuwe materialen en apparaten voor kunstmatige-intelligentietechnologie.