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硅是半导体，在包括手机，笔记本电脑和汽车电子设备的电子设备中无处不在。现在，美国国家标准技术研究院（NIST）的研究人员迄今为止对硅中电荷移动的速度进行了最敏感的测量，这是衡量硅作为半导体性能的标准。他们使用一种新颖的方法发现了硅在科学家无法测试的任何情况下的性能，特别是在超低电荷水平下。新的结果可能提出进一步改善半导体材料及其应用的方法，包括太阳能电池和下一代高速蜂窝网络。NIST的科学家今天在Optics Express中报告了他们的结果。
与以(yi)前的技术不(bu)同，新(xin)方法不(bu)需要与硅样品(pin)进行物(wu)理接触，并且使研究(jiu)人(ren)员可以(yi)轻松(song)测试相(xiang)对较厚的样品(pin)，从而可以(yi)准确地测量(liang)半导体性能。
NIST的研(yan)究(jiu)人员(yuan)以(yi)前已经使用其他半(ban)导体对(dui)该方法进行了原理验(yan)证(zheng)测(ce)试。但是，这(zhei)项研(yan)究(jiu)是研(yan)究(jiu)人员(yuan)第一次将这(zhei)种基(ji)于光的新技术(shu)与传统的基(ji)于接触的硅(gui)方法相提并论。
现在要(yao)确切地说(shuo)出行业如何使用(yong)这项工(gong)(gong)(gong)作还为时过早。但是，新(xin)发(fa)现可能是未(wei)来工(gong)(gong)(gong)作的(de)基础，该工(gong)(gong)(gong)作致(zhi)力于为各种应用(yong)制(zhi)造更好的(de)半导体材(cai)料，包括潜在地提高太(tai)阳能电(dian)池，单光(guang)子光(guang)探测器，LED等的(de)效率。例(li)如，NIST团队的(de)超快测量非(fei)常(chang)适(shi)合测试(shi)高速纳(na)米级电(dian)子设备，例(li)如第五代(dai)（5G）无线技术（新(xin)的(de)数字蜂窝网络）中使用(yong)的(de)那些设备。此外，本研究中使用(yong)的(de)低强度脉(mai)冲光(guang)模拟了太(tai)阳能电(dian)池将从太(tai)阳接收的(de)低强度光(guang)的(de)种类。
NIST的Tim Magnanelli说：“我们在本实(shi)验中使(shi)用的光类似于太(tai)(tai)阳能(neng)电池(chi)在阳光明媚(mei)的春日可(ke)能(neng)吸(xi)收(shou)的光强度(du)。”“因此(ci)这项工作有可(ke)能(neng)在某(mou)天找(zhao)到提高太(tai)(tai)阳能(neng)电池(chi)效率的应用。”
可以说(shuo)，这项新技术也(ye)是(shi)对硅中电荷(he)的移动如(ru)何受(shou)到掺(chan)杂(za)(za)产生(sheng)基本了(le)解的更好的方法，掺(chan)杂(za)(za)是(shi)光传感(gan)器单元中常见(jian)的一种过程(cheng)，其中涉及将材料与(yu)另一种掺(chan)杂(za)(za)物质（称为“掺(chan)杂(za)(za)剂”）掺(chan)混以增(zeng)加电导(dao)率。
深入挖掘
当研(yan)究人员想要确定某种材料作为(wei)半导(dao)体(ti)的(de)性能时，他们会评估其导(dao)电(dian)(dian)性。衡量(liang)(liang)电(dian)(dian)导(dao)率的(de)一(yi)种方法(fa)是(shi)测量(liang)(liang)其“电(dian)(dian)荷载(zai)流(liu)子(zi)迁移率”，即电(dian)(dian)荷在材料中移动(dong)的(de)速度。负电(dian)(dian)荷载(zai)流(liu)子(zi)是(shi)电(dian)(dian)子(zi)；正(zheng)载(zai)流(liu)子(zi)称(cheng)为(wei)“空(kong)穴(xue)”，是(shi)缺少(shao)电(dian)(dian)子(zi)的(de)地方。
测(ce)试电荷(he)载流子迁移率的(de)(de)常规技(ji)术称为霍尔法。这涉及(ji)将触(chu)(chu)点(dian)焊接到(dao)样(yang)品上并使电流在磁场(chang)中通过这些触(chu)(chu)点(dian)。但是这种基于(yu)接触(chu)(chu)的(de)(de)方(fang)法有缺点(dian)：结果可能会因(yin)表(biao)面杂质或缺陷甚至(zhi)接触(chu)(chu)本身(shen)的(de)(de)问题而出现(xian)偏差。
为了解决(jue)这(zhei)些挑战(zhan)，NIST研究人员一直在尝(chang)试使用太赫兹（THz）辐射(she)的(de)方(fang)法。
NIST的THz测量(liang)方法是一(yi)种快(kuai)速，非接触式的测量(liang)电(dian)导率的方法，该方法依赖于(yu)两种光(guang)(guang)。首(shou)先，可见(jian)光(guang)(guang)的超短脉冲在样(yang)品(pin)(pin)(pin)中(zhong)产生自(zi)由移动的电(dian)子和(he)空穴-这一(yi)过程(cheng)称为“光(guang)(guang)掺杂”硅。然后，在远红外至(zhi)微(wei)波范围内(nei)，太(tai)(tai)赫(he)兹脉冲（其(qi)波长(zhang)(zhang)比人眼所见(jian)的波长(zhang)(zhang)长(zhang)(zhang)得多(duo)）照在样(yang)品(pin)(pin)(pin)上。与(yu)可见(jian)光(guang)(guang)不(bu)同，太(tai)(tai)赫(he)兹光(guang)(guang)甚至(zhi)可以穿透(tou)不(bu)透(tou)明的材(cai)料(liao)，例如硅半导体(ti)样(yang)品(pin)(pin)(pin)。多(duo)少光(guang)(guang)穿透(tou)或吸收到样(yang)品(pin)(pin)(pin)中(zhong)取决(jue)于(yu)多(duo)少载(zai)流子自(zi)由移动。电(dian)荷(he)载(zai)流子自(zi)由移动越多(duo)，材(cai)料(liao)的电(dian)导率就越高。
NIST的(de)化学(xue)家Ted Heilweil说：“这种测量(liang)不需要接触。”“我们所做的(de)一(yi)切都(dou)只(zhi)有光明。”
寻找目标
过(guo)去，研(yan)究(jiu)人员(yuan)使用可见光或紫外光的(de)单个光子执行光掺杂过(guo)程(cheng)。
但(dan)是(shi)，仅使用一(yi)(yi)个光(guang)子(zi)进行掺(chan)杂的问题在于(yu)，它通常仅以很小的方式穿透(tou)样(yang)品(pin)。而且由于(yu)太(tai)赫兹光(guang)完(wan)全(quan)穿透(tou)了样(yang)品(pin)，因此(ci)研究(jiu)人员可以有效(xiao)地使用此(ci)方法来研究(jiu)非常薄(bo)的硅(gui)样(yang)品(pin)-大约(yue)十(shi)分之(zhi)一(yi)(yi)到十(shi)亿(yi)分之(zhi)一(yi)(yi)米厚（10至100纳米），比人的头发薄(bo)约(yue)10,000倍(bei)。
如果样(yang)(yang)(yang)(yang)品这么薄(bo)，研(yan)究人员(yuan)就会(hui)遇到与传(chuan)统霍尔(er)技术(shu)相同(tong)的(de)问(wen)题-即表(biao)面缺陷(xian)会(hui)歪曲结果。样(yang)(yang)(yang)(yang)品越薄(bo)，表(biao)面缺陷(xian)的(de)影响越大(da)。研(yan)究人员(yuan)陷(xian)入(ru)了两个目(mu)标之(zhi)间：增(zeng)加硅样(yang)(yang)(yang)(yang)品的(de)厚(hou)度，或提高(gao)单(dan)光(guang)子(zi)(zi)光(guang)子(zi)(zi)获得(de)的(de)灵敏度。解决(jue)方案(an)？一(yi)(yi)次(ci)用两个光(guang)子(zi)(zi)照射(she)样(yang)(yang)(yang)(yang)品，而不是一(yi)(yi)次(ci)照射(she)一(yi)(yi)个。通(tong)过在硅片上(shang)照射(she)两个近(jin)红外光(guang)子(zi)(zi)，科学家仍(reng)然只(zhi)使用少(shao)量的(de)光(guang)。但这足以通(tong)过更厚(hou)的(de)样(yang)(yang)(yang)(yang)本，同(tong)时仍(reng)能每立方厘米产生最少(shao)的(de)电子(zi)(zi)和(he)空穴(xue)。
Magnanelli说：“两个光子同(tong)时被(bei)吸收(shou)，我们可(ke)以(yi)更深(shen)入地进入材料，并且可(ke)以(yi)看到(dao)产生的电子和空穴少得多。”使用双光子测(ce)量(liang)意味(wei)着研究人员可(ke)以(yi)将功(gong)率(lv)水平保持在尽可(ke)能(neng)低(di)的水平，但(dan)仍可(ke)以(yi)完全穿透样品。常规测(ce)量(liang)可(ke)以(yi)解析每立方厘米(mi)不少于一(yi)百(bai)万亿个载波。 NIST团(tuan)队使用其(qi)新方法解决了仅10万亿，灵敏度至(zhi)少提高了10倍-降(jiang)低(di)了测(ce)量(liang)门槛。到(dao)目前为止(zhi)研究的样本比其(qi)他一(yi)些样本厚大约半毫米(mi)，足够以(yi)避免(mian)表面缺陷(xian)问(wen)题。
在降低(di)测量自由空穴和电子的(de)阈值时(shi)，NIST研究人员发现了(le)两(liang)个令人惊讶的(de)结果(guo)：
其他(ta)方法表明(ming)，随着研究人员产生越(yue)(yue)来越(yue)(yue)少的(de)(de)电子(zi)(zi)和空(kong)穴，他(ta)们(men)的(de)(de)仪器测量样品中(zhong)越(yue)(yue)来越(yue)(yue)高的(de)(de)载(zai)流(liu)子(zi)(zi)迁移(yi)率(lv)-但仅在一个点之(zhi)前(qian)，载(zai)流(liu)子(zi)(zi)密度(du)变(bian)得如此之(zhi)低，以至于迁移(yi)率(lv)达到平稳(wen)状态。通过使(shi)用他(ta)们(men)的(de)(de)非接触式(shi)方法，NIST研究人员发现平稳(wen)期发生在比(bi)(bi)以前(qian)认为的(de)(de)更低的(de)(de)载(zai)流(liu)子(zi)(zi)密度(du)上，并且迁移(yi)率(lv)比(bi)(bi)以前(qian)测得的(de)(de)高50％。
Heilweil说：“这种意(yi)外结果(guo)向我(wo)们展(zhan)示了我(wo)们以前(qian)对(dui)硅所不(bu)了解(jie)的(de)东西(xi)。” “尽(jin)管这是基础科学(xue)，但更(geng)多地(di)了解(jie)硅的(de)工(gong)作方式可(ke)以帮助设备(bei)制造商更(geng)有(you)效地(di)使(shi)用它。例如，某些半导(dao)体在(zai)比(bi)目前(qian)使(shi)用的(de)掺杂(za)水平更(geng)低(di)的(de)情况下可(ke)能会更(geng)好地(di)工(gong)作。”
研(yan)究人员还在(zai)另(ling)一(yi)种流行的感光半导(dao)体砷(shen)化镓（GaAs）上使(shi)用了该技术，以证明其结果并非(fei)硅所(suo)独有。他们发现，在(zai)GaAs中(zhong)，载(zai)流子(zi)(zi)迁移率随着(zhe)电荷(he)载(zai)流子(zi)(zi)密(mi)度(du)的降低(di)(di)而继续增(zeng)加，这比常规接受(shou)的极限低(di)(di)约100倍。
NIST未来的(de)工作可(ke)能集中在(zai)(zai)对样品(pin)应用(yong)不同的(de)光掺杂技术，以(yi)及改变样品(pin)的(de)温度。用(yong)较(jiao)厚(hou)的(de)样品(pin)进行试验可(ke)能会在(zai)(zai)半导体中提供更令人惊讶的(de)结果。Heilweil说(shuo)：“当我们在(zai)(zai)较(jiao)厚(hou)的(de)样品(pin)上(shang)使用(yong)双光子方法时，我们可(ke)能会产生更低的(de)载(zai)流子密度，然后可(ke)以(yi)用(yong)THz脉冲进行探测(ce)。”
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