Les semi-conducteurs sont les éléments de base des appareils numériques. Les améliorations de la fonctionnalité et des performances des semi-conducteurs permettent également des applications de nouvelle génération de semi-conducteurs pour l'informatique, détection et conversion d'énergie. Pourtant, les chercheurs ont longtemps lutté contre les limites de leur capacité à comprendre pleinement les charges électroniques à l'intérieur des dispositifs semi-conducteurs et des matériaux semi-conducteurs avancés, limitant la capacité des chercheurs à conduire de nouvelles avancées.
Dans une nouvelle étude de la revue La nature , une collaboration dirigée par IBM Research décrit une percée passionnante dans un mystère vieux de 140 ans en physique, qui permet aux chercheurs de découvrir les caractéristiques physiques des semi-conducteurs de manière beaucoup plus détaillée et d'aider au développement de matériaux semi-conducteurs nouveaux et améliorés.
Pour vraiment comprendre la physique des semi-conducteurs, nous devons d'abord connaître les propriétés fondamentales des porteurs de charge à l'intérieur des matériaux, si ces particules sont positives ou négatives, leur vitesse sous un champ électrique appliqué et leur densité dans le matériau. Le physicien Edwin Hall a trouvé un moyen de déterminer ces propriétés en 1879, lorsqu'il a découvert qu'un champ magnétique déviera le mouvement des charges électroniques à l'intérieur d'un conducteur et que la quantité de déviation peut être mesurée comme une tension perpendiculaire au flux de charge, comme le montre la figure 1a. Cette tension, appelée tension de Hall, déverrouille des informations essentielles sur les porteurs de charge dans un semi-conducteur, compris s'il s'agit d'électrons négatifs ou de quasi-particules positives appelées "trous, " à quelle vitesse ils se déplacent dans un champ électrique ou leur "mobilité" (µ) et leur densité (n) à l'intérieur du semi-conducteur.
Un secret vieux de 140 ans
Des décennies après la découverte de Hall, les chercheurs ont également reconnu qu'ils peuvent effectuer la mesure de l'effet Hall avec la lumière, appelées expériences photo-Hall, comme le montre la figure 1b. Dans de telles expériences, l'éclairage lumineux génère plusieurs porteurs ou paires de trous d'électrons dans les semi-conducteurs. Malheureusement, la compréhension de l'effet Hall de base a fourni des informations sur le seul porteur de charge dominant (ou porteur majoritaire). Les chercheurs n'ont pas pu extraire les propriétés des deux porteurs (les porteurs majoritaires et minoritaires) simultanément. Ces informations sont cruciales pour de nombreuses applications impliquant la lumière, telles que les cellules solaires et autres dispositifs optoélectroniques.
L'étude d'IBM Research en La nature déverrouille l'un des secrets de longue date de l'effet Hall. Chercheurs du KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), KRICT (Institut coréen de recherche en technologie chimique), Université de Duke, et IBM ont découvert une nouvelle formule et technique pour extraire les informations des porteurs majoritaires et minoritaires telles que la densité et la mobilité, ainsi que pour obtenir des informations supplémentaires sur la durée de vie des supports, les longueurs de diffusion et le processus de recombinaison.
Pour être plus précis, dans l'expérience photo-Hall, les deux porteurs contribuent aux changements de conductivité (σ) et de coefficient de Hall (H, proportionnel au rapport de la tension de Hall au champ magnétique). L'idée clé vient de la mesure de la conductivité et du coefficient de Hall en fonction de l'intensité lumineuse. Caché dans la trajectoire de la courbe conductivité-coefficient de Hall (σ-H), révèle une nouvelle information cruciale :la différence de mobilité des deux transporteurs. Comme discuté dans le document, cette relation peut être exprimée élégamment par :Δµ =d (σ²H)/dσ
En partant d'une densité de porteurs majoritaires connue à partir de la mesure Hall traditionnelle dans l'obscurité, les chercheurs ont résolu la mobilité et la densité des porteurs majoritaires et minoritaires en fonction de l'intensité lumineuse. L'équipe a nommé la nouvelle technique de mesure du photohall à résolution de porteuse (CRPH). Avec une intensité lumineuse connue, la durée de vie du porteur peut également être établie. Cette relation et les solutions associées sont cachées depuis près d'un siècle et demi, depuis la découverte de l'effet Hall.
Au-delà des avancées de cette compréhension théorique, les progrès des techniques expérimentales sont également essentiels pour permettre cette nouvelle technique. La technique nécessite une mesure de signal Hall propre, ce qui peut être difficile pour les matériaux où le signal Hall est faible (par exemple en raison d'une faible mobilité) ou lorsque des signaux indésirables supplémentaires sont présents, comme sous un éclairage puissant. Dans ce but, il faut effectuer la mesure de Hall avec un champ magnétique oscillant (ca). Comme écouter la radio, il faut sélectionner la fréquence de la station désirée tout en rejetant toutes les autres fréquences qui agissent comme du bruit. La technique CRPH va encore plus loin et sélectionne non seulement la fréquence souhaitée, mais aussi à la phase du champ magnétique oscillant dans une technique appelée détection de verrouillage. Ce concept de mesure AC Hall est connu depuis longtemps, mais la technique traditionnelle utilisant un système de bobine électromagnétique pour générer le champ magnétique alternatif était inefficace.
Une découverte précurseur
Comme cela arrive souvent en science, les avancées dans un domaine sont déclenchées par des découvertes dans un autre. En 2015, IBM Research a signalé un phénomène jusqu'alors inconnu en physique lié à un nouvel effet de confinement de champ magnétique, surnommé l'effet "camelback", qui se produit entre deux lignes de dipôles transversaux lorsqu'elles dépassent une longueur critique comme le montre la figure 2a. L'effet est une caractéristique clé qui permet un nouveau type de piège magnétique naturel, appelé piège à ligne dipolaire parallèle (PDL) comme le montre la figure 2b. Le piège magnétique PDL pourrait servir de nouvelle plate-forme pour diverses applications de capteurs telles qu'un inclinomètre et un sismomètre (capteur de tremblement de terre). Ces nouveaux systèmes de capteurs, associés à la technologie des mégadonnées, pourraient ouvrir de nombreuses nouvelles applications et sont étudiés par l'équipe de recherche d'IBM qui développe une plate-forme d'analyse des mégadonnées appelée IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), qui héberge une myriade de données de capteurs géospatiales et Internet des objets (IoT).
Le même élément PDL a une autre application unique. Lorsqu'il est tourné, il sert de système idéal pour une expérience photo-Hall pour obtenir une forte, oscillation de champ magnétique unidirectionnelle et harmonique pure (Fig 2c). Plus important, le système offre un espace suffisant pour permettre un éclairage de grande surface sur l'échantillon, ce qui est critique dans l'expérience photo-Hall.
L'impact
La nouvelle technique photo-Hall extrait une quantité étonnante d'informations des semi-conducteurs. Contrairement à seulement trois paramètres obtenus dans la mesure de Hall classique, cette nouvelle technique donne jusqu'à sept paramètres à chaque intensité lumineuse testée. Ceux-ci incluent la mobilité à la fois de l'électron et du trou; leur densité de porteurs à la lumière; durée de vie de la recombinaison ; et les longueurs de diffusion pour l'électron, trous et type ambipolaire. Tous ces éléments peuvent être répétés N fois (c'est-à-dire le nombre de réglages d'intensité lumineuse utilisés dans l'expérience).
Cette nouvelle découverte et technologie contribuera à faire progresser les semi-conducteurs dans les technologies existantes et émergentes. Il fournit les connaissances et les outils nécessaires pour extraire en détail les caractéristiques physiques des matériaux semi-conducteurs. Par exemple, cela pourrait accélérer le développement de la technologie des semi-conducteurs de nouvelle génération, telles que de meilleures cellules solaires, de meilleurs dispositifs optoélectroniques et de nouveaux matériaux et dispositifs pour la technologie de l'intelligence artificielle.
