Semicondutores são os blocos básicos de construção de dispositivos digitais. As melhorias na funcionalidade e no desempenho de semicondutores também estão permitindo aplicativos de próxima geração de semicondutores para computação, detecção e conversão de energia. No entanto, os pesquisadores têm lutado por muito tempo com as limitações em sua capacidade de compreender totalmente as cargas eletrônicas dentro de dispositivos semicondutores e materiais semicondutores avançados, limitando a capacidade dos pesquisadores de impulsionar novos avanços.
Em um novo estudo na revista Natureza , uma colaboração liderada pela IBM Research descreve uma descoberta empolgante em um mistério da física de 140 anos - que permite aos pesquisadores desvendar as características físicas dos semicondutores com muito mais detalhes e auxiliar no desenvolvimento de materiais semicondutores novos e aprimorados.
Para realmente entender a física dos semicondutores, primeiro precisamos saber as propriedades fundamentais dos portadores de carga dentro dos materiais, se essas partículas são positivas ou negativas, sua velocidade sob um campo elétrico aplicado e quão densamente eles são embalados no material. O físico Edwin Hall encontrou uma maneira de determinar essas propriedades em 1879, quando ele descobriu que um campo magnético desviará o movimento de cargas eletrônicas dentro de um condutor e que a quantidade de deflexão pode ser medida como uma tensão perpendicular ao fluxo de carga, conforme mostrado na Fig. 1a. Esta voltagem, conhecida como tensão Hall, desbloqueia informações essenciais sobre os portadores de carga em um semicondutor, incluindo se eles são elétrons negativos ou quase-partículas positivas chamadas "buracos, "quão rápido eles se movem em um campo elétrico ou sua" mobilidade "(µ) e sua densidade (n) dentro do semicondutor.
Um segredo de 140 anos
Décadas após a descoberta de Hall, pesquisadores também reconheceram que podem realizar a medição do efeito Hall com luz - que são chamados de experimentos foto-Hall, como mostrado na Fig. 1b. Em tais experimentos, a iluminação de luz gera vários portadores ou pares de buracos de elétrons nos semicondutores. Infelizmente, a compreensão do efeito Hall básico forneceu insights sobre apenas o portador de carga dominante (ou portador majoritário). Os pesquisadores não conseguiram extrair as propriedades de ambos os portadores (os portadores majoritários e minoritários) simultaneamente. Essas informações são cruciais para muitas aplicações que envolvem luz, como células solares e outros dispositivos optoeletrônicos.
O estudo da IBM Research em Natureza desbloqueia um dos segredos de longa data do efeito Hall. Pesquisadores do KAIST (Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia), KRICT (Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coreia), Universidade Duke, e a IBM descobriu uma nova fórmula e técnica para extrair as informações da operadora majoritária e minoritária, como densidade e mobilidade, bem como para obter informações adicionais sobre a vida útil da transportadora, comprimentos de difusão e o processo de recombinação.
Para ser mais específico, no experimento do salão de fotos, ambos os portadores contribuem para mudanças na condutividade (σ) e coeficiente de Hall (H, que é proporcional à relação entre a tensão Hall e o campo magnético). O principal insight vem da medição da condutividade e do coeficiente de Hall em função da intensidade da luz. Oculto na trajetória da curva do coeficiente de condutividade-Hall (σ-H), revela uma nova informação crucial:a diferença na mobilidade de ambas as operadoras. Conforme discutido no artigo, esta relação pode ser expressa elegantemente como:Δµ =d (σ²H) / dσ
Começando com uma densidade de portadora majoritária conhecida da medição tradicional de Hall no escuro, os pesquisadores resolveram a densidade e a mobilidade dos portadores majoritários e minoritários em função da intensidade da luz. A equipe batizou a nova técnica de medição do Salão de Fotos Resolvido por Carrier (CRPH). Com uma intensidade de iluminação de luz conhecida, o tempo de vida do portador também pode ser estabelecido. Essa relação e as soluções relacionadas estão ocultas por quase um século e meio, desde a descoberta do efeito Hall.
Além dos avanços neste entendimento teórico, avanços em técnicas experimentais também são críticos para habilitar esta nova técnica. A técnica requer uma medição de sinal Hall limpa, o que pode ser um desafio para materiais em que o sinal Hall é fraco (por exemplo, devido à baixa mobilidade) ou quando sinais extras indesejados estão presentes, como sob forte iluminação de luz. Para este propósito, é necessário realizar a medição Hall com um campo magnético oscilante (ac). Como ouvir rádio, deve-se selecionar a frequência da estação desejada, rejeitando todas as outras frequências que atuam como ruído. A técnica CRPH vai um passo além e seleciona não apenas a frequência desejada, mas também para a fase do campo magnético oscilante em uma técnica chamada detecção de bloqueio. Este conceito de medição AC Hall é conhecido há muito tempo, mas a técnica tradicional usando um sistema de bobina eletromagnética para gerar o campo magnético AC era ineficiente.
Uma descoberta precursora
Como costuma ocorrer na ciência, os avanços em uma área são desencadeados por descobertas em outra. Em 2015, A IBM Research relatou um fenômeno até então desconhecido na física relacionado a um novo efeito de confinamento de campo magnético, apelidado de efeito "camelback", que ocorre entre duas linhas de dipolos transversais quando eles excedem um comprimento crítico como mostrado na Fig. 2a. O efeito é um recurso fundamental que permite um novo tipo de armadilha magnética natural, chamada armadilha de linha de dipolo paralela (PDL), como mostrado na Fig. 2b. A armadilha magnética PDL pode servir como uma nova plataforma para várias aplicações de sensores, como medidor de inclinação e sismômetro (sensor de terremoto). Esses novos sistemas de sensor, juntamente com a tecnologia de big data, podem abrir muitos novos aplicativos e estão sendo estudados pela equipe de pesquisa da IBM desenvolvendo uma plataforma de análise de big data chamada IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), que hospeda uma miríade de dados de sensores geoespaciais e da Internet das Coisas (IoT).
O mesmo elemento PDL tem outro aplicativo exclusivo. Quando girado, ele serve como um sistema ideal para um experimento de foto-Hall obter forte, oscilação do campo magnético harmônico puro e unidirecional (Fig. 2c). Mais importante, o sistema oferece amplo espaço para permitir uma grande área de iluminação na amostra, o que é crítico no experimento do Photo-Hall.
O impacto
A técnica foto-Hall recém-desenvolvida extrai uma quantidade surpreendente de informações de semicondutores. Em contraste com apenas três parâmetros obtidos na medição Hall clássica, esta nova técnica produz até sete parâmetros em cada intensidade de luz testada. Isso inclui a mobilidade tanto para o elétron quanto para o buraco; sua densidade de portadores sob luz; tempo de vida de recombinação; e comprimentos de difusão para elétrons, orifícios e tipo ambipolar. Todos estes podem ser repetidos N vezes (ou seja, o número de configurações de intensidade de luz usadas no experimento).
Essa nova descoberta e tecnologia ajudarão a impulsionar os avanços dos semicondutores nas tecnologias existentes e emergentes. Ele fornece o conhecimento e as ferramentas necessárias para extrair as características físicas de materiais semicondutores em grande detalhe. Por exemplo, isso poderia acelerar o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores de próxima geração, como células solares melhores, melhores dispositivos optoeletrônicos e novos materiais e dispositivos para tecnologia de inteligência artificial.
