140年物理谜题获突破,IBM从半导体中提取信息从

时间:2019-11-08 17:23

半导体是当今数字、电子时代的基本组成部分,为我们提供了大量有益于现代生活的设备,包括计算机、智能手机和其他移动设备。半导体功能和性能的提高,同样有可能使下一代半导体应用于计算、传感和能量转换成为可能。


然而我们完全了解半导体器件和先进半导体材料内部电荷的能力仍然存在局限性,研究人员长期以来一直试图克服这一局限性,否则将会限制我们推动进一步发展的能力。


IBM领导的一项新研究,最近在《自然》杂志上发表,让物理学家们困惑了140年的谜题取得了令人振奋的突破,这个突破能够让物理学家解锁半导体更多细节的物理特性,并且因此有望产生新一代的可应用在设备上的半导体材料。


半导体的发明对我们进入数字时代起了重要作用。你可以在你的智能手机和电脑里找到这些携带电能的物质。这一领域的改进可能会对未来的电子产品产生重大影响。


为了真正理解半导体的物理原理,我们首先需要知道材料内部载流子的基本特性,即这些粒子是正的还是负的,它们在外加电场下的速度以及它们在材料中的密度。


1879年美国物理学家爱德华·霍尔发现了所谓的霍尔效应,用这种方法可以测量导体中的电流流动。他发现,由于磁场会使导体中电荷的运动发生偏转,所以可以测量该偏转量,这个数字描述了垂直于或横向于电流的电压。


霍尔发现霍尔效应几十年后,现代研究人员也认识到他们可以利用光来进行霍尔效应测量,专业术语称为光霍尔实验,如图1b所示。在这样的实验中,光照明在半导体中产生多个载流子或电子空穴对。


IBM研究博客上的文章作者Oki Gunawan和Doug Bishop解释说,虽然霍尔电压提供了有关半导体中这些载流子的关键信息,但它仅限于占主导地位的大多数载流子的特性。研究人员无法同时提取两种载流子(多数和少数)的特性,而弄清影响电导率变化的多数载流子和少数载流子的信息,对于许多涉及光的应用都是至关重要的,其中包括太阳能电池、led、激光器等光电子设备以及人工智能技术。


IBM主导的新研究,揭示了霍尔效应长期存在的一个秘密。由来自韩国科学技术研究院、韩国化学技术研究院、杜克大学和IBM的研究人员开发了一种获取多数和少数载流子信息的新公式和技术。从黑暗中传统霍尔测量得出的已知的多数载流子密度出发,随着光强度的变化,我们可以求出多数载流子和少数载流子的迁移率和密度、载流子寿命、扩散长度和重组过程。


该团队将这项新技术命名为载波解析光电霍尔(CRPH)测量。在已知光照强度的情况下,同样可以相似地建立载流子寿命。自从霍尔效应被发现以来,这种关系和相关的解决方案已经被隐藏了将近一个半世纪。


正如科学中经常发生的那样,一个领域的进步是由另一领域的发现触发的。 2015年,IBM研究团队报告了物理学中与新的磁场限制效应有关的物理学领域以前未知的现象,这种现象被称为“驼峰效应” ,它发生在两条横向偶极子线之间,当它们超过临界长度时,如图2a所示。这种效应是一种新型自然磁阱的关键特性,它被称为平行偶极线(PDL)阱,如图2b所示。


PDL磁阱可以作为各种传感器应用的新平台,现在它对于IBM的新发现起到了促进作用,利用IBM开发的平行偶极线(PDL)陷阱工具,可以为光霍尔实验提供理想的系统,为样品照明分配大量的空间。


新开发的光电霍尔技术允许我们从半导体中提取数量惊人的信息。事实上,与传统的利用霍尔效应导出的三个测量参数相比,该方法最多可以得到七个信息参数。它们包括电子和空穴的迁移率;光下载流子密度;重组寿命;以及电子、空穴和双极性类型的扩散长度。所有这些都可以重复N次,即实验中使用的光强度设置的数量。


这一新发现和技术将有助于推动半导体在现有和新兴技术方面的进步。我们现在拥有可以提取半导体材料更多细节物理特性所需的知识和工具,这一切将有助于加速下一代半导体技术的发展,如更好的太阳能电池、更好的光电子器件以及用于人工智能技术的新材料和器件。