硅是半導(dǎo)體，在包括手機(jī)，筆記本電腦和汽車電子設(shè)備的電子設(shè)備中無處不在。現(xiàn)在，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的研究人員迄今為止對(duì)硅中電荷移動(dòng)的速度進(jìn)行了最敏感的測(cè)量，這是衡量硅作為半導(dǎo)體性能的標(biāo)準(zhǔn)。他們使用一種新穎的方法發(fā)現(xiàn)了硅在科學(xué)家無法測(cè)試的任何情況下的性能，特別是在超低電荷水平下。新的結(jié)果可能提出進(jìn)一步改善半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用的方法，包括太陽能電池和下一代高速蜂窩網(wǎng)絡(luò)。NIST的科學(xué)家今天在Optics Express中報(bào)告了他們的結(jié)果。

與以前的技術(shù)不同，新方法不需要與硅樣品進(jìn)行物理接觸，并且使研究人員可以輕松測(cè)試相對(duì)較厚的樣品，從而可以準(zhǔn)確地測(cè)量半導(dǎo)體性能。

NIST的研究人員以前已經(jīng)使用其他半導(dǎo)體對(duì)該方法進(jìn)行了原理驗(yàn)證測(cè)試。但是，這項(xiàng)研究是研究人員第一次將這種基于光的新技術(shù)與傳統(tǒng)的基于接觸的硅方法相提并論。

現(xiàn)在要確切地說出行業(yè)如何使用這項(xiàng)工作還為時(shí)過早。但是，新發(fā)現(xiàn)可能是未來工作的基礎(chǔ)，該工作致力于為各種應(yīng)用制造更好的半導(dǎo)體材料，包括潛在地提高太陽能電池，單光子光探測(cè)器，LED等的效率。例如，NIST團(tuán)隊(duì)的超快測(cè)量非常適合測(cè)試高速納米級(jí)電子設(shè)備，例如第五代（5G）無線技術(shù)（新的數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)）中使用的那些設(shè)備。此外，本研究中使用的低強(qiáng)度脈沖光模擬了太陽能電池將從太陽接收的低強(qiáng)度光的種類。

NIST的Tim Magnanelli說：“我們?cè)诒緦?shí)驗(yàn)中使用的光類似于太陽能電池在陽光明媚的春日可能吸收的光強(qiáng)度。”“因此這項(xiàng)工作有可能在某天找到提高太陽能電池效率的應(yīng)用。”

可以說，這項(xiàng)新技術(shù)也是對(duì)硅中電荷的移動(dòng)如何受到摻雜產(chǎn)生基本了解的更好的方法，摻雜是光傳感器單元中常見的一種過程，其中涉及將材料與另一種摻雜物質(zhì)（稱為“摻雜劑”）摻混以增加電導(dǎo)率。

深入挖掘

當(dāng)研究人員想要確定某種材料??作為半導(dǎo)體的性能時(shí)，他們會(huì)評(píng)估其導(dǎo)電性。衡量電導(dǎo)率的一種方法是測(cè)量其“電荷載流子遷移率”，即電荷在材料中移動(dòng)的速度。負(fù)電荷載流子是電子；正載流子稱為“空穴”，是缺少電子的地方。

測(cè)試電荷載流子遷移率的常規(guī)技術(shù)稱為霍爾法。這涉及將觸點(diǎn)焊接到樣品上并使電流在磁場(chǎng)中通過這些觸點(diǎn)。但是這種基于接觸的方法有缺點(diǎn)：結(jié)果可能會(huì)因表面雜質(zhì)或缺陷甚至接觸本身的問題而出現(xiàn)偏差。

為了解決這些挑戰(zhàn)，NIST研究人員一直在嘗試使用太赫茲（THz）輻射的方法。

NIST的THz測(cè)量方法是一種快速，非接觸式的測(cè)量電導(dǎo)率的方法，該方法依賴于兩種光。首先，可見光的超短脈沖在樣品中產(chǎn)生自由移動(dòng)的電子和空穴-這一過程稱為“光摻雜”硅。然后，在遠(yuǎn)紅外至微波范圍內(nèi)，太赫茲脈沖（其波長比人眼所見的波長長得多）照在樣品上。與可見光不同，太赫茲光甚至可以穿透不透明的材料，例如硅半導(dǎo)體樣品。多少光穿透或吸收到樣品中取決于多少載流子自由移動(dòng)。電荷載流子自由移動(dòng)越多，材料的電導(dǎo)率就越高。

NIST的化學(xué)家Ted Heilweil說：“這種測(cè)量不需要接觸。”“我們所做的一切都只有光明。”

尋找目標(biāo)

過去，研究人員使用可見光或紫外光的單個(gè)光子執(zhí)行光摻雜過程。

但是，僅使用一個(gè)光子進(jìn)行摻雜的問題在于，它通常僅以很小的方式穿透樣品。而且由于太赫茲光完全穿透了樣品，因此研究人員可以有效地使用此方法來研究非常薄的硅樣品-大約十分之一到十億分之一米厚（10至100納米），比人的頭發(fā)薄約10,000倍。

如果樣品這么薄，研究人員就會(huì)遇到與傳統(tǒng)霍爾技術(shù)相同的問題-即表面缺陷會(huì)歪曲結(jié)果。樣品越薄，表面缺陷的影響越大。研究人員陷入了兩個(gè)目標(biāo)之間：增加硅樣品的厚度，或提高單光子光子獲得的靈敏度。解決方案？一次用兩個(gè)光子照射樣品，而不是一次照射一個(gè)。通過在硅片上照射兩個(gè)近紅外光子，科學(xué)家仍然只使用少量的光。但這足以通過更厚的樣本，同時(shí)仍能每立方厘米產(chǎn)生最少的電子和空穴。

Magnanelli說：“兩個(gè)光子同時(shí)被吸收，我們可以更深入地進(jìn)入材料，并且可以看到產(chǎn)生的電子和空穴少得多。”使用雙光子測(cè)量意味著研究人員可以將功率水平保持在盡可能低的水平，但仍可以完全穿透樣品。常規(guī)測(cè)量可以解析每立方厘米不少于一百萬億個(gè)載波。 NIST團(tuán)隊(duì)使用其新方法解決了僅10萬億，靈敏度至少提高了10倍-降低了測(cè)量門檻。到目前為止研究的樣本比其他一些樣本厚大約半毫米，足夠以避免表面缺陷問題。

在降低測(cè)量自由空穴和電子的閾值時(shí)，NIST研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)令人驚訝的結(jié)果：

其他方法表明，隨著研究人員產(chǎn)生越來越少的電子和空穴，他們的儀器測(cè)量樣品中越來越高的載流子遷移率-但僅在一個(gè)點(diǎn)之前，載流子密度變得如此之低，以至于遷移率達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。通過使用他們的非接觸式方法，NIST研究人員發(fā)現(xiàn)平穩(wěn)期發(fā)生在比以前認(rèn)為的更低的載流子密度上，并且遷移率比以前測(cè)得的高50％。

Heilweil說：“這種意外結(jié)果向我們展示了我們以前對(duì)硅所不了解的東西。” “盡管這是基礎(chǔ)科學(xué)，但更多地了解硅的工作方式可以幫助設(shè)備制造商更有效地使用它。例如，某些半導(dǎo)體在比目前使用的摻雜水平更低的情況下可能會(huì)更好地工作。”

研究人員還在另一種流行的感光半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）上使用了該技術(shù)，以證明其結(jié)果并非硅所獨(dú)有。他們發(fā)現(xiàn)，在GaAs中，載流子遷移率隨著電荷載流子密度的降低而繼續(xù)增加，這比常規(guī)接受的極限低約100倍。

NIST未來的工作可能集中在對(duì)樣品應(yīng)用不同的光摻雜技術(shù)，以及改變樣品的溫度。用較厚的樣品進(jìn)行試驗(yàn)可能會(huì)在半導(dǎo)體中提供更令人驚訝的結(jié)果。Heilweil說：“當(dāng)我們?cè)谳^厚的樣品上使用雙光子方法時(shí)，我們可能會(huì)產(chǎn)生更低的載流子密度，然后可以用THz脈沖進(jìn)行探測(cè)。”

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