I semiconduttori sono gli elementi costitutivi di base dei dispositivi digitali. I miglioramenti nella funzionalità e nelle prestazioni dei semiconduttori stanno anche consentendo applicazioni di prossima generazione di semiconduttori per l'informatica, rilevamento e conversione di energia. Eppure i ricercatori hanno lottato a lungo con i limiti della loro capacità di comprendere appieno le cariche elettroniche all'interno dei dispositivi a semiconduttore e dei materiali semiconduttori avanzati, limitando la capacità dei ricercatori di guidare ulteriori progressi.

In un nuovo studio sulla rivista Natura , una collaborazione guidata da IBM Research descrive un'entusiasmante svolta in un mistero della fisica vecchio di 140 anni, che consente ai ricercatori di svelare le caratteristiche fisiche dei semiconduttori in modo molto più dettagliato e aiuta nello sviluppo di materiali semiconduttori nuovi e migliorati.

Per comprendere veramente la fisica dei semiconduttori, dobbiamo prima conoscere le proprietà fondamentali dei portatori di carica all'interno dei materiali, se quelle particelle sono positive o negative, la loro velocità sotto un campo elettrico applicato e la loro densità nel materiale. Il fisico Edwin Hall ha trovato un modo per determinare quelle proprietà nel 1879, quando scoprì che un campo magnetico devia il movimento delle cariche elettroniche all'interno di un conduttore e che l'entità della deflessione può essere misurata come una tensione perpendicolare al flusso di carica come mostrato in Fig. 1a. Questa tensione, nota come tensione di Hall, sblocca le informazioni essenziali sui portatori di carica in un semiconduttore, compreso se sono elettroni negativi o quasi-particelle positive chiamate "buchi, " quanto velocemente si muovono in un campo elettrico o la loro "mobilità" (µ) e la loro densità (n) all'interno del semiconduttore.

Un segreto di 140 anni

Decenni dopo la scoperta di Hall, i ricercatori hanno anche riconosciuto di poter eseguire la misurazione dell'effetto Hall con la luce, che sono chiamati esperimenti di foto-Hall, come mostrato in Fig. 1b. In tali esperimenti, l'illuminazione luminosa genera portatori multipli o coppie di lacune di elettroni nei semiconduttori. Sfortunatamente, la comprensione dell'effetto Hall di base ha fornito approfondimenti solo sul vettore di carica dominante (o vettore di maggioranza). I ricercatori non sono stati in grado di estrarre contemporaneamente le proprietà di entrambi i portatori (la maggioranza e la minoranza). Tali informazioni sono cruciali per molte applicazioni che coinvolgono la luce come le celle solari e altri dispositivi optoelettronici.

Lo studio di IBM Research in Natura sblocca uno dei segreti di lunga data dell'effetto Hall. Ricercatori del KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), KRICT (Istituto di ricerca di tecnologia chimica della Corea), Duke University, e IBM hanno scoperto una nuova formula e tecnica per estrarre le informazioni sui vettori maggioritari e minoritari come densità e mobilità, nonché per ottenere ulteriori informazioni sulla durata dei vettori, lunghezze di diffusione e processo di ricombinazione.

Per essere più precisi, nell'esperimento di Photo-Hall, entrambi i portatori contribuiscono alle variazioni di conducibilità (σ) e coefficiente di Hall (H, che è proporzionale al rapporto tra la tensione di Hall e il campo magnetico). L'intuizione chiave deriva dalla misurazione della conduttività e del coefficiente di Hall in funzione dell'intensità della luce. Nascosto nella traiettoria della curva conducibilità-coefficiente di Hall (σ-H), rivela una nuova informazione cruciale:la differenza di mobilità di entrambi i vettori. Come discusso nel documento, questa relazione può essere espressa elegantemente come:Δµ =d (σ²H)/dσ

Partendo da una densità di portanti maggioritaria nota dalla misurazione tradizionale di Hall al buio, i ricercatori hanno risolto sia la mobilità che la densità dei portatori maggioritari e minoritari in funzione dell'intensità della luce. Il team ha chiamato la nuova tecnica di misurazione Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Con una nota intensità di illuminazione della luce, la durata del vettore può essere stabilita in modo simile. Questa relazione e le relative soluzioni sono rimaste nascoste per quasi un secolo e mezzo, dalla scoperta dell'effetto Hall.

Al di là dei progressi in questa comprensione teorica, anche i progressi nelle tecniche sperimentali sono fondamentali per consentire questa nuova tecnica. La tecnica richiede una misurazione del segnale Hall pulita, che può essere difficile per i materiali in cui il segnale di Hall è debole (ad esempio a causa della scarsa mobilità) o quando sono presenti segnali extra indesiderati, come sotto una forte illuminazione. Per questo scopo, è necessario eseguire la misura di Hall con un campo magnetico oscillante (ac). Come ascoltare la radio, si deve selezionare la frequenza della stazione desiderata rifiutando tutte le altre frequenze che agiscono come rumore. La tecnica CRPH va oltre e seleziona non solo la frequenza desiderata, ma anche alla fase del campo magnetico oscillante in una tecnica chiamata lock-in detection. Questo concetto di misura AC Hall è noto da tempo, ma la tecnica tradizionale che utilizzava un sistema di bobine elettromagnetiche per generare il campo magnetico CA era inefficiente.

Una scoperta precursore

Come spesso accade nella scienza, i progressi in un'area sono innescati da scoperte in un'altra. Nel 2015, IBM Research ha riportato un fenomeno precedentemente sconosciuto in fisica relativo a un nuovo effetto di confinamento del campo magnetico, soprannominato l'effetto "camelback", che si verifica tra due linee di dipoli trasversali quando superano una lunghezza critica come mostrato in Fig. 2a. L'effetto è una caratteristica fondamentale che consente un nuovo tipo di trappola magnetica naturale, chiamata trappola a linea di dipolo parallela (PDL) come mostrato in Fig. 2b. La trappola magnetica PDL potrebbe fungere da nuova piattaforma per varie applicazioni di sensori come un tiltmetro e un sismometro (sensore sismico). Questi nuovi sistemi di sensori insieme alla tecnologia dei big data potrebbero aprire molte nuove applicazioni e sono allo studio del team di ricerca IBM che sta sviluppando una piattaforma di analisi dei big data chiamata IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), che ospita una miriade di dati di sensori geospaziali e Internet of Things (IoT).

Lo stesso elemento PDL ha un'altra applicazione unica. Quando ruotato, serve come sistema ideale per un esperimento di Photo-Hall per ottenere forti, oscillazione del campo magnetico unidirezionale e armonica pura (Fig 2c). Ma ancora più importante, il sistema offre ampio spazio per consentire l'illuminazione di un'ampia area sul campione, che è fondamentale nell'esperimento di Photo-Hall.

L'impatto

La nuova tecnica Photo-Hall estrae una quantità sorprendente di informazioni dai semiconduttori. Contrariamente ai soli tre parametri ottenuti nella misurazione di Hall classica, questa nuova tecnica produce fino a sette parametri ad ogni intensità luminosa testata. Questi includono la mobilità sia per l'elettrone che per la lacuna; la loro densità di portatori alla luce; vita di ricombinazione; e lunghezze di diffusione per l'elettrone, fori e di tipo ambipolare. Tutti questi possono essere ripetuti N volte (cioè il numero di impostazioni di intensità della luce utilizzate nell'esperimento).

Questa nuova scoperta e tecnologia aiuterà a spingere i progressi dei semiconduttori nelle tecnologie esistenti ed emergenti. Fornisce le conoscenze e gli strumenti necessari per estrarre le caratteristiche fisiche dei materiali semiconduttori in modo molto dettagliato. Per esempio, questo potrebbe accelerare lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di prossima generazione come celle solari migliori, migliori dispositivi optoelettronici e nuovi materiali e dispositivi per la tecnologia dell'intelligenza artificiale.