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IBM, una nuova tecnica di misurazione ci farà conoscere meglio i semiconduttori

Mai sentito del potenziale di Hall? Scoperto da Edward Hall nel 1879, è il potenziale perpendicolare al flusso della carica di un conduttore, ed è usato per misurare la deviazione del movimento causato da un campo magnetico.

Il potenziale di Hall comunica informazioni riguardo i portatori di carica nei semiconduttori, includendo la presenza di elettroni negativi, quasi-particelle positive (dette lacune) e la velocità delle stesse in un campo elettrico (così come la loro densità).

Dopo oltre un secolo dalla scoperta dell’Effetto Hall, i ricercatori del KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), del KRICT (Korea Research Institute of Chemical Technology), della Duke University e di IBM affermano di aver scoperto una tecnica capace di estrapolare ancora più informazioni dai portatori.

Un paper pubblicato sulla rivista Nature descrive una tecnica che potrebbe essere usata per estrarre la durata di vita dei portatori, le lunghezze di diffusione dei portatori e i valori legati alla ricombinazione – il processo per il quale elettroni e lacune si annullano vicendevolmente).

Gli studi successivi alla scoperta dell’Effetto Hall hanno cercato di comprendere i limiti entro i quali tali misurazioni potessero essere compiute tramite fotoni. Nei primi esperimenti la luce era usata per generare molteplici portatori o coppie elettrone-lacuna nei semiconduttori.

Poiché l’Effetto Hall di base fornisce informazioni solo sul portatore maggioritario, non vi fu nessun successo nell’arrivare a conoscere le proprietà di entrambi i portatori (maggioritario e minoritario) contemporaneamente.

Al contrario, l’ultimo approccio descritto nel paper – definito “Carrier-Resolved Photo Hall” (CRPH) – comincia con una densità nota del portatore maggioritario ottenuta dalla misurazione tradizionale dell’Effetto Hall fatta al buio. Viene poi introdotta una luce con un’intensità conosciuta, permettendo la scoperta della durata di vita del portatore e al contempo la mobilità e la densità del portatore di carica sia maggioritario che minoritario.

I nuovi strumenti di misurazione facilitano l’esperimento rispetto al passato, e tra questi si può citare il “parallel dipole line (PDL)”. Gli scienziati di IBM hanno sviluppati il PDL quattro anni fa mentre indagavano il “camelback effect”, che si verifica tra 2 linee di dipoli trasversali – una coppia di poli caricati o magnetizzati in modo uguale e opposto – quando superavano una lunghezza critica.

I ricercatori hanno in seguito scoperto che quando ruotato, il PDL agisce come un sistema ideale per esperimenti di Hall, in parte a causa dell’ampio spazio che fornisce per aree di illuminazione maggiori sui sample.

A quanto pare, le misurazioni del segnale Hall pulito possono essere difficili da eseguire quando il segnale è debole o è presente un rumore indesiderato, ad esempio sotto le luci. Vengono eseguite al meglio con sistemi come il PDL, che fornisce un campo magnetico oscillante. CRPH seleziona in modo utile sia la frequenza desiderata del segnale target sia la fase del campo con un metodo chiamato lock-in detection.

I ricercatori affermano che la tecnica consente di registrare in modo ripetibile sino a 7 parametri dalle misure dei semiconduttori, rispetto alle tre degli esperimenti classici. Inoltre asseriscono che la loro scoperta e tecnologia potrebbe spingere lo sviluppo dei semiconduttori sia con le attuali tecnologie che quelle emergenti.

“Adesso disponiamo della conoscenza e degli strumenti necessari per estrarre dettagliatamente le caratteristiche fisiche dei materiali semiconduttori”, hanno scritto gli autori Oki Gunwan e Doug Bishop in un post pubblicato sul blog di IBM Research.

“Per esempio, ciò aiuterà ad accelerare lo sviluppo della tecnologia di prossima generazione dei semiconduttori, ottenendo celle solari migliori, strumenti optoelettronici più avanzati e nuovi materiali e dispositivi per l’intelligenza artificiale”.