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(qian)的技(ji)術不(bu)(bu)同，新方法不(bu)(bu)需要與硅樣品進行物理接觸(chu)，并且使研究人員可以輕松測試相對較(jiao)厚(hou)的樣品，從而可以準確地測量半導體性能。
NIST的研究(jiu)人員以前已(yi)經使用(yong)其(qi)他(ta)半導(dao)體對(dui)該方(fang)法進(jin)行(xing)了原理驗證(zheng)測試(shi)。但是，這(zhe)項(xiang)研究(jiu)是研究(jiu)人員第一次將這(zhe)種基于光的新技(ji)術與傳統的基于接觸的硅方(fang)法相(xiang)提并論(lun)。
現在要確切地說出行業如何使用(yong)這項(xiang)工(gong)作(zuo)(zuo)還為(wei)(wei)時(shi)過早。但是，新發現可能(neng)(neng)是未來(lai)工(gong)作(zuo)(zuo)的(de)基礎(chu)，該工(gong)作(zuo)(zuo)致力于為(wei)(wei)各種應用(yong)制造更好的(de)半導體材料，包(bao)括潛在地提高太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電池，單光(guang)子(zi)光(guang)探測(ce)(ce)器，LED等(deng)的(de)效(xiao)率(lv)。例(li)如，NIST團隊(dui)的(de)超(chao)快測(ce)(ce)量非常適合測(ce)(ce)試高速納米級(ji)電子(zi)設(she)備(bei)，例(li)如第五(wu)代（5G）無(wu)線技術（新的(de)數字蜂窩網絡(luo)）中使用(yong)的(de)那些設(she)備(bei)。此外，本(ben)研究(jiu)中使用(yong)的(de)低強度脈(mo)沖光(guang)模擬了太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電池將從太(tai)陽(yang)接收的(de)低強度光(guang)的(de)種類。
NIST的(de)Tim Magnanelli說：“我們在本實驗(yan)中使用(yong)的(de)光(guang)類似于太陽能電(dian)池在陽光(guang)明媚的(de)春日可能吸收的(de)光(guang)強(qiang)度。”“因此這項工(gong)作有可能在某(mou)天找到提(ti)高太陽能電(dian)池效率的(de)應用(yong)。”
可以說，這項新(xin)技術(shu)也是對硅中電(dian)荷(he)的移動如何受到摻雜產生基本(ben)了解的更好的方法，摻雜是光傳感器單元中常見的一種(zhong)過程，其中涉及將材(cai)料與另一種(zhong)摻雜物質（稱為“摻雜劑”）摻混以增(zeng)加(jia)電(dian)導率。
深入挖掘
當研究人員(yuan)想要確定(ding)某種材(cai)料??作為半導體的(de)性能時，他們會評估(gu)其導電性。衡量電導率的(de)一(yi)種方法是測量其“電荷載流子(zi)遷移率”，即電荷在(zai)材(cai)料中移動的(de)速度(du)。負電荷載流子(zi)是電子(zi)；正(zheng)載流子(zi)稱為“空穴”，是缺少電子(zi)的(de)地方。
測試電荷載(zai)流子遷移(yi)率的常(chang)規技術稱(cheng)為霍爾法。這涉及(ji)將觸點(dian)(dian)焊接(jie)(jie)(jie)到(dao)樣品(pin)上并使(shi)電流在磁(ci)場中通過這些(xie)觸點(dian)(dian)。但(dan)是這種基于接(jie)(jie)(jie)觸的方法有(you)缺點(dian)(dian)：結(jie)果可能會(hui)因表面雜質或缺陷甚至(zhi)接(jie)(jie)(jie)觸本(ben)身的問題而(er)出現偏差(cha)。
為了(le)解決這些挑戰，NIST研究人員一直在嘗試使用(yong)太赫(he)茲（THz）輻射的方法。
NIST的(de)(de)THz測量方(fang)法是一種(zhong)快速，非接觸式的(de)(de)測量電(dian)(dian)導率的(de)(de)方(fang)法，該(gai)方(fang)法依(yi)賴于(yu)(yu)兩種(zhong)光(guang)(guang)。首先，可見光(guang)(guang)的(de)(de)超短脈(mo)沖(chong)在(zai)樣(yang)品(pin)中(zhong)產生自由(you)移動(dong)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)和空穴-這一過程稱為“光(guang)(guang)摻雜”硅(gui)。然(ran)后，在(zai)遠(yuan)紅外至微(wei)波范圍(wei)內，太赫(he)茲脈(mo)沖(chong)（其波長(chang)比人眼(yan)所見的(de)(de)波長(chang)長(chang)得多(duo)）照在(zai)樣(yang)品(pin)上。與可見光(guang)(guang)不同(tong)，太赫(he)茲光(guang)(guang)甚至可以穿(chuan)透(tou)(tou)不透(tou)(tou)明(ming)的(de)(de)材料(liao)，例如硅(gui)半導體(ti)樣(yang)品(pin)。多(duo)少光(guang)(guang)穿(chuan)透(tou)(tou)或(huo)吸收到樣(yang)品(pin)中(zhong)取決于(yu)(yu)多(duo)少載(zai)流(liu)子(zi)自由(you)移動(dong)。電(dian)(dian)荷載(zai)流(liu)子(zi)自由(you)移動(dong)越(yue)多(duo)，材料(liao)的(de)(de)電(dian)(dian)導率就越(yue)高(gao)。
NIST的(de)化學家(jia)Ted Heilweil說：“這(zhe)種測量不需(xu)要接觸。”“我們所做的(de)一切都(dou)只有(you)光明。”
尋找目標
過(guo)去(qu)，研究人員(yuan)使用可見(jian)光或紫(zi)外光的單個(ge)光子執(zhi)行(xing)光摻雜過(guo)程。
但是，僅(jin)使(shi)用(yong)一(yi)個光子(zi)進行摻雜的(de)問題(ti)在于，它通常僅(jin)以(yi)很小的(de)方(fang)式穿(chuan)透樣(yang)(yang)品(pin)(pin)。而且由于太赫茲光完(wan)全穿(chuan)透了樣(yang)(yang)品(pin)(pin)，因此研(yan)究人員可(ke)以(yi)有效(xiao)地(di)使(shi)用(yong)此方(fang)法來研(yan)究非常薄(bo)的(de)硅(gui)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)-大(da)約十(shi)分之(zhi)一(yi)到十(shi)億分之(zhi)一(yi)米(mi)厚(hou)（10至(zhi)100納米(mi)），比人的(de)頭(tou)發薄(bo)約10,000倍。
如果(guo)(guo)樣(yang)(yang)品(pin)這么薄，研究(jiu)人員就會遇到與(yu)傳統霍爾技術相同(tong)的問題-即(ji)表(biao)面(mian)缺(que)陷(xian)會歪曲結果(guo)(guo)。樣(yang)(yang)品(pin)越(yue)薄，表(biao)面(mian)缺(que)陷(xian)的影響越(yue)大。研究(jiu)人員陷(xian)入了兩個目(mu)標之(zhi)間：增加硅樣(yang)(yang)品(pin)的厚(hou)度(du)，或提高單光子光子獲(huo)得的靈敏(min)度(du)。解決(jue)方案？一(yi)次用(yong)兩個光子照(zhao)(zhao)射樣(yang)(yang)品(pin)，而(er)不是一(yi)次照(zhao)(zhao)射一(yi)個。通過在硅片上照(zhao)(zhao)射兩個近紅外光子，科學家仍然只(zhi)使(shi)用(yong)少量(liang)的光。但(dan)這足以通過更(geng)厚(hou)的樣(yang)(yang)本，同(tong)時仍能每立方厘米產(chan)生(sheng)最少的電子和空穴。
Magnanelli說(shuo)：“兩個(ge)光子(zi)同時被吸收，我們可(ke)(ke)(ke)以(yi)更(geng)深入(ru)地進入(ru)材料，并(bing)且可(ke)(ke)(ke)以(yi)看到(dao)產生的電子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)少得多。”使(shi)用(yong)雙光子(zi)測(ce)(ce)(ce)量意(yi)味著(zhu)研究(jiu)人員可(ke)(ke)(ke)以(yi)將功(gong)率水平(ping)保(bao)持(chi)在盡可(ke)(ke)(ke)能低(di)的水平(ping)，但仍可(ke)(ke)(ke)以(yi)完全(quan)穿透樣(yang)品。常(chang)規測(ce)(ce)(ce)量可(ke)(ke)(ke)以(yi)解析(xi)每立方(fang)厘米(mi)不少于一百萬億個(ge)載波(bo)。 NIST團隊(dui)使(shi)用(yong)其(qi)新(xin)方(fang)法解決了僅10萬億，靈(ling)敏(min)度至少提高了10倍-降低(di)了測(ce)(ce)(ce)量門檻。到(dao)目前為止研究(jiu)的樣(yang)本(ben)比其(qi)他一些樣(yang)本(ben)厚大約(yue)半毫(hao)米(mi)，足(zu)夠以(yi)避免表(biao)面缺陷問題。
在(zai)降低測量(liang)自由空穴(xue)和電子的閾值(zhi)時，NIST研究(jiu)人(ren)員發現(xian)了兩(liang)個(ge)令人(ren)驚訝的結(jie)果：
其他(ta)方法表(biao)明，隨著(zhu)研(yan)究人員產生越(yue)來(lai)越(yue)少(shao)的電子和空穴(xue)，他(ta)們的儀器測(ce)量樣品中越(yue)來(lai)越(yue)高的載流子遷移(yi)(yi)率-但僅在(zai)一個點之前，載流子密度(du)變(bian)得如(ru)此之低，以至于(yu)遷移(yi)(yi)率達到平(ping)穩(wen)狀態(tai)。通過(guo)使用他(ta)們的非(fei)接(jie)觸式(shi)方法，NIST研(yan)究人員發(fa)現(xian)平(ping)穩(wen)期發(fa)生在(zai)比以前認為的更(geng)低的載流子密度(du)上，并且(qie)遷移(yi)(yi)率比以前測(ce)得的高50％。
Heilweil說：“這種意外結果(guo)向我們(men)展示(shi)了(le)我們(men)以前對硅(gui)所不了(le)解的(de)東西(xi)。” “盡管這是(shi)基礎科學，但更(geng)(geng)多(duo)地了(le)解硅(gui)的(de)工作方(fang)式可(ke)以幫助設備制造商更(geng)(geng)有效地使用它(ta)。例(li)如，某(mou)些半導體在比目前使用的(de)摻雜水(shui)平更(geng)(geng)低的(de)情況下(xia)可(ke)能(neng)會更(geng)(geng)好地工作。”
研究(jiu)人員還在另一種(zhong)流(liu)行的感光半導體砷化鎵（GaAs）上使用了該技(ji)術(shu)，以證明其結果并非硅(gui)所獨(du)有。他們發(fa)現，在GaAs中，載流(liu)子遷移(yi)率隨著電荷載流(liu)子密度的降低而繼續增加，這(zhe)比常規接受的極限低約100倍。
NIST未來的(de)工作可(ke)(ke)能(neng)集中(zhong)在對樣(yang)品應用(yong)不同的(de)光摻雜技術，以(yi)及改變樣(yang)品的(de)溫度(du)。用(yong)較厚的(de)樣(yang)品進行試驗可(ke)(ke)能(neng)會在半(ban)導體中(zhong)提供更(geng)令人驚訝的(de)結果。Heilweil說：“當我們在較厚的(de)樣(yang)品上使用(yong)雙光子方法時，我們可(ke)(ke)能(neng)會產生(sheng)更(geng)低的(de)載流子密度(du)，然后可(ke)(ke)以(yi)用(yong)THz脈沖(chong)進行探(tan)測。”
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