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硅是半導(dǎo)體，在包括手機，筆記本電腦和汽車電子設(shè)備的電子設(shè)備中無處不在?，F(xiàn)在，美國國家標準技術(shù)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(dǎo)體性能的標準。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行物理接觸，并且使研究人員可以輕松測試相對較厚的樣品，從而可以準確地測量半導(dǎo)體性能。
NIST的研究人員以前已經(jīng)使用其他半導(dǎo)體對該方法進行了原理驗證測試。但是，這項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)如何使用這項工作還為時過早。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，單光子光探測器，LED等的效率。例如，NIST團隊的超快測量非常適合測試高速納米級電子設(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度脈沖光模擬了太陽能電池將從太陽接收的低強度光的種類。
NIST的Tim Magnanelli說：“我們在本實驗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度。”“因此這項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，這項新技術(shù)也是對硅中電荷的移動如何受到摻雜產(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，他們會評估其導(dǎo)電性。衡量電導(dǎo)率的一種方法是測量其“電荷載流子遷移率”，即電荷在材料中移動的速度。負電荷載流子是電子；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。這涉及將觸點焊接到樣品上并使電流在磁場中通過這些觸點。但是這種基于接觸的方法有缺點：結(jié)果可能會因表面雜質(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測量方法是一種快速，非接觸式的測量電導(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)生自由移動的電子和空穴-這一過程稱為“光摻雜”硅。然后，在遠紅外至微波范圍內(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。電荷載流子自由移動越多，材料的電導(dǎo)率就越高。
NIST的化學(xué)家Ted Heilweil說：“這種測量不需要接觸。”“我們所做的一切都只有光明。”
尋找目標
過去，研究人員使用可見光或紫外光的單個光子執(zhí)行光摻雜過程。
但是，僅使用一個光子進行摻雜的問題在于，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，研究人員就會遇到與傳統(tǒng)霍爾技術(shù)相同的問題-即表面缺陷會歪曲結(jié)果。樣品越薄，表面缺陷的影響越大。研究人員陷入了兩個目標之間：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？一次用兩個光子照射樣品，而不是一次照射一個。通過在硅片上照射兩個近紅外光子，科學(xué)家仍然只使用少量的光。但這足以通過更厚的樣本，同時仍能每立方厘米產(chǎn)生最少的電子和空穴。
Magnanelli說：“兩個光子同時被吸收，我們可以更深入地進入材料，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)測量可以解析每立方厘米不少于一百萬億個載波。 NIST團隊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。
在降低測量自由空穴和電子的閾值時，NIST研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個令人驚訝的結(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，他們的儀器測量樣品中越來越高的載流子遷移率-但僅在一個點之前，載流子密度變得如此之低，以至于遷移率達到平穩(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)生在比以前認為的更低的載流子密度上，并且遷移率比以前測得的高50％。
Heilweil說：“這種意外結(jié)果向我們展示了我們以前對硅所不了解的東西。” “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。用較厚的樣品進行試驗可能會在半導(dǎo)體中提供更令人驚訝的結(jié)果。Heilweil說：“當(dāng)我們在較厚的樣品上使用雙光子方法時，我們可能會產(chǎn)生更低的載流子密度，然后可以用THz脈沖進行探測。”
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