硅是半導體，在包括手機，筆記本電腦和汽車電子設備的電子設備中無處不在。現在，美國國家標準技術研究院（NIST）的研究人員迄今為止對硅中電荷移動的速度進行了最敏感的測量，這是衡量硅作為半導體性能的標準。他們使用一種新穎的方法發現了硅在科學家無法測試的任何情況下的性能，特別是在超低電荷水平下。新的結果可能提出進一步改善半導體材料及其應用的方法，包括太陽能電池和下一代高速蜂窩網絡。NIST的科學家今天在Optics Express中報告了他們的結果。
與以前的(de)技術不(bu)同，新方法不(bu)需要與硅樣(yang)品進行物理接觸，并且使(shi)研(yan)究人員可(ke)以輕松(song)測試相(xiang)對較厚的(de)樣(yang)品，從而可(ke)以準確(que)地(di)測量半(ban)導體性能(neng)。
NIST的研究(jiu)人(ren)(ren)員以前(qian)已經使用其他半導(dao)體對該方法進行了原理驗證測試。但是，這項研究(jiu)是研究(jiu)人(ren)(ren)員第一次將這種(zhong)基于光的新技(ji)術(shu)與傳統(tong)的基于接觸(chu)的硅方法相提并論。
現在要確切地(di)說出行業如(ru)(ru)何使用(yong)這項(xiang)工(gong)(gong)作還為(wei)時過早。但是，新(xin)(xin)發(fa)現可(ke)能(neng)是未來(lai)工(gong)(gong)作的(de)基礎，該工(gong)(gong)作致(zhi)力于為(wei)各種應(ying)用(yong)制造更好的(de)半導(dao)體材料，包括潛在地(di)提高(gao)太(tai)陽能(neng)電池(chi)，單光(guang)子光(guang)探測(ce)器，LED等的(de)效率。例(li)如(ru)(ru)，NIST團隊的(de)超快測(ce)量非常適(shi)合測(ce)試(shi)高(gao)速納米級電子設備，例(li)如(ru)(ru)第五代（5G）無(wu)線技(ji)術(shu)（新(xin)(xin)的(de)數字蜂窩網絡）中(zhong)使用(yong)的(de)那些設備。此外，本研究中(zhong)使用(yong)的(de)低強度脈沖(chong)光(guang)模擬了太(tai)陽能(neng)電池(chi)將從(cong)太(tai)陽接收的(de)低強度光(guang)的(de)種類。
NIST的Tim Magnanelli說：“我(wo)們在(zai)本(ben)實驗中使用的光(guang)類似于(yu)太(tai)陽(yang)能電(dian)池在(zai)陽(yang)光(guang)明媚的春日可能吸收的光(guang)強(qiang)度。”“因(yin)此這項工作(zuo)有可能在(zai)某天找到提(ti)高太(tai)陽(yang)能電(dian)池效(xiao)率(lv)的應用。”
可以說，這項新技術也是對硅中電荷的(de)(de)移動(dong)如何受到摻(chan)雜(za)產生基本了解的(de)(de)更(geng)好(hao)的(de)(de)方法，摻(chan)雜(za)是光傳感器單元中常見的(de)(de)一(yi)種(zhong)過程，其(qi)中涉(she)及將材料與另一(yi)種(zhong)摻(chan)雜(za)物質（稱為“摻(chan)雜(za)劑”）摻(chan)混以增(zeng)加(jia)電導率。
深入挖掘
當研究人(ren)員想要(yao)確定某種材料(liao)??作為(wei)半導體的性能時(shi)，他(ta)們會評(ping)估其導電(dian)(dian)性。衡量電(dian)(dian)導率(lv)(lv)的一種方法是(shi)(shi)(shi)測量其“電(dian)(dian)荷載流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)遷(qian)移(yi)率(lv)(lv)”，即電(dian)(dian)荷在材料(liao)中移(yi)動(dong)的速度。負電(dian)(dian)荷載流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)是(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)；正(zheng)載流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)稱為(wei)“空穴”，是(shi)(shi)(shi)缺少電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的地(di)方。
測試電(dian)荷載流(liu)子(zi)遷移率的常規技(ji)術稱為霍爾法(fa)(fa)。這涉及將(jiang)觸點(dian)焊接到樣品上并使電(dian)流(liu)在磁(ci)場中(zhong)通(tong)過這些觸點(dian)。但是這種基于接觸的方法(fa)(fa)有缺(que)(que)點(dian)：結果可(ke)能會因表面雜質或缺(que)(que)陷甚至接觸本身的問題而出現偏差。
為了解決這些挑戰，NIST研(yan)究人員一直在(zai)嘗試使用(yong)太赫(he)茲(zi)（THz）輻射的方(fang)法。
NIST的(de)(de)(de)THz測量方法(fa)是(shi)一種(zhong)快速，非接觸式的(de)(de)(de)測量電導率的(de)(de)(de)方法(fa)，該方法(fa)依賴于兩種(zhong)光。首(shou)先，可見(jian)(jian)光的(de)(de)(de)超短脈(mo)沖(chong)在樣(yang)品(pin)中產生自(zi)(zi)(zi)由(you)移(yi)動的(de)(de)(de)電子(zi)和空穴-這(zhe)一過程稱為“光摻雜(za)”硅。然(ran)后(hou)，在遠紅外至微波范(fan)圍內，太(tai)赫茲脈(mo)沖(chong)（其波長比人眼所見(jian)(jian)的(de)(de)(de)波長長得多(duo)）照在樣(yang)品(pin)上。與可見(jian)(jian)光不(bu)同，太(tai)赫茲光甚至可以穿(chuan)透不(bu)透明的(de)(de)(de)材(cai)料，例如硅半導體(ti)樣(yang)品(pin)。多(duo)少光穿(chuan)透或(huo)吸收到樣(yang)品(pin)中取決于多(duo)少載流子(zi)自(zi)(zi)(zi)由(you)移(yi)動。電荷載流子(zi)自(zi)(zi)(zi)由(you)移(yi)動越(yue)多(duo)，材(cai)料的(de)(de)(de)電導率就越(yue)高。
NIST的化學家Ted Heilweil說：“這種測量不需(xu)要接觸。”“我們所(suo)做(zuo)的一切都只(zhi)有光明(ming)。”
尋找目標
過(guo)去，研究(jiu)人員使(shi)用(yong)可見光或紫外光的單個光子執(zhi)行光摻雜過(guo)程。
但是，僅(jin)使(shi)用(yong)一(yi)個光(guang)子進行摻雜的問題在于，它通(tong)常僅(jin)以(yi)很小(xiao)的方(fang)式穿(chuan)透樣(yang)品(pin)。而且由于太赫茲光(guang)完全穿(chuan)透了(le)樣(yang)品(pin)，因此(ci)研究人員可以(yi)有效地(di)使(shi)用(yong)此(ci)方(fang)法來研究非常薄的硅樣(yang)品(pin)-大約(yue)十(shi)分之一(yi)到十(shi)億(yi)分之一(yi)米(mi)厚（10至100納米(mi)），比人的頭發薄約(yue)10,000倍。
如果樣品這(zhe)么(me)薄，研究(jiu)人員就會(hui)遇到與傳統霍爾(er)技術相同的問題-即(ji)表面(mian)缺(que)陷(xian)(xian)會(hui)歪(wai)曲結果。樣品越(yue)(yue)薄，表面(mian)缺(que)陷(xian)(xian)的影響(xiang)越(yue)(yue)大。研究(jiu)人員陷(xian)(xian)入了兩(liang)個(ge)目標之間：增加硅(gui)樣品的厚度(du)，或(huo)提高(gao)單光子(zi)光子(zi)獲得的靈(ling)敏度(du)。解決(jue)方(fang)案？一次(ci)用(yong)兩(liang)個(ge)光子(zi)照射樣品，而不是(shi)一次(ci)照射一個(ge)。通過在(zai)硅(gui)片上照射兩(liang)個(ge)近紅(hong)外(wai)光子(zi)，科學家仍然只使用(yong)少量的光。但這(zhe)足以通過更厚的樣本，同時仍能每立方(fang)厘米產生(sheng)最少的電子(zi)和空穴(xue)。
Magnanelli說(shuo)：“兩個(ge)光(guang)(guang)子同時被吸收，我們可以更深入地進入材料，并且可以看(kan)到產生的(de)電子和空穴(xue)少(shao)得(de)多。”使用(yong)雙(shuang)光(guang)(guang)子測(ce)量(liang)意味著研(yan)究人員可以將功率水平保持在盡可能低的(de)水平，但仍可以完全穿透樣品。常規測(ce)量(liang)可以解析每立方厘米不(bu)少(shao)于一百萬(wan)億個(ge)載波(bo)。 NIST團隊使用(yong)其新方法解決了(le)僅10萬(wan)億，靈(ling)敏度至少(shao)提高(gao)了(le)10倍-降低了(le)測(ce)量(liang)門檻(jian)。到目前為止研(yan)究的(de)樣本比其他(ta)一些(xie)樣本厚大(da)約半(ban)毫米，足夠以避免表面缺陷問題(ti)。
在降低測量自(zi)由(you)空穴(xue)和電(dian)子(zi)的(de)閾值時，NIST研究(jiu)人員發現了兩個令人驚訝的(de)結果：
其他方法表明，隨著(zhu)研(yan)究(jiu)人員產生越來(lai)越少的(de)(de)電子(zi)和空穴，他們的(de)(de)儀器測量(liang)樣品中(zhong)越來(lai)越高(gao)(gao)的(de)(de)載(zai)流(liu)子(zi)遷移率-但僅在一個點之前(qian)，載(zai)流(liu)子(zi)密度(du)(du)變得如此之低，以至(zhi)于遷移率達到平穩狀態。通過使(shi)用(yong)他們的(de)(de)非接觸式方法，NIST研(yan)究(jiu)人員發現平穩期發生在比(bi)(bi)以前(qian)認為(wei)的(de)(de)更低的(de)(de)載(zai)流(liu)子(zi)密度(du)(du)上，并且遷移率比(bi)(bi)以前(qian)測得的(de)(de)高(gao)(gao)50％。
Heilweil說(shuo)：“這種意外結果向我(wo)們展示(shi)了(le)我(wo)們以前對硅所(suo)不了(le)解的東西。” “盡管(guan)這是基礎科學，但更(geng)多地了(le)解硅的工(gong)作方(fang)式可以幫助設備制(zhi)造商(shang)更(geng)有效地使(shi)用(yong)(yong)它(ta)。例如，某(mou)些半導體(ti)在比目前使(shi)用(yong)(yong)的摻雜水平更(geng)低的情況下可能會更(geng)好(hao)地工(gong)作。”
研究人(ren)員還在(zai)另(ling)一種(zhong)流(liu)行的(de)(de)感光半導體砷化鎵（GaAs）上使(shi)用了該技術，以證明其結果并非硅所獨有。他們發現，在(zai)GaAs中，載(zai)流(liu)子遷移率隨著電荷載(zai)流(liu)子密度的(de)(de)降低而繼續增加，這比常規接受(shou)的(de)(de)極限低約100倍。
NIST未來的(de)工(gong)作(zuo)可(ke)(ke)能(neng)集中(zhong)在(zai)(zai)對樣品(pin)應用不同的(de)光(guang)摻雜技術(shu)，以及(ji)改變樣品(pin)的(de)溫(wen)度(du)。用較厚的(de)樣品(pin)進(jin)(jin)行試(shi)驗可(ke)(ke)能(neng)會在(zai)(zai)半導體(ti)中(zhong)提供更令人驚訝的(de)結果。Heilweil說：“當我(wo)們在(zai)(zai)較厚的(de)樣品(pin)上使用雙光(guang)子方法時，我(wo)們可(ke)(ke)能(neng)會產生更低的(de)載(zai)流子密度(du)，然(ran)后可(ke)(ke)以用THz脈沖進(jin)(jin)行探測。”
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