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。

与以前的技术不同，新方法不需要与硅样品进行物理接触，并且使研究人员可以轻松测试相对较厚的样品，从而可以准确地测量半导体性能。

NIST的研究人员以前已经使用其他半导体对该方法进行了原理验证测试。但是，这项研究是研究人员第一次将这种基于光的新技术与传统的基于接触的硅方法相提并论。

现在要确切地说出行业如何使用这项工作还为时过早。但是，新发现可能是未来工作的基础，该工作致力于为各种应用制造更好的半导体材料，包括潜在地提高太阳能电池，单光子光探测器，LED等的效率。例如，NIST团队的超快测量非常适合测试高速纳米级电子设备，例如第五代（5G）无线技术（新的数字蜂窝网络）中使用的那些设备。此外，本研究中使用的低强度脉冲光模拟了太阳能电池将从太阳接收的低强度光的种类。

NIST的Tim Magnanelli说：“我们在本实验中使用的光类似于太阳能电池在阳光明媚的春日可能吸收的光强度。”“因此这项工作有可能在某天找到提高太阳能电池效率的应用。”

可以说，这项新技术也是对硅中电荷的移动如何受到掺杂产生基本了解的更好的方法，掺杂是光传感器单元中常见的一种过程，其中涉及将材料与另一种掺杂物质（称为“掺杂剂”）掺混以增加电导率。

深入挖掘

当研究人员想要确定某种材料​​作为半导体的性能时，他们会评估其导电性。衡量电导率的一种方法是测量其“电荷载流子迁移率”，即电荷在材料中移动的速度。负电荷载流子是电子；正载流子称为“空穴”，是缺少电子的地方。

测试电荷载流子迁移率的常规技术称为霍尔法。这涉及将触点焊接到样品上并使电流在磁场中通过这些触点。但是这种基于接触的方法有缺点：结果可能会因表面杂质或缺陷甚至接触本身的问题而出现偏差。

为了解决这些挑战，NIST研究人员一直在尝试使用太赫兹（THz）辐射的方法。

NIST的THz测量方法是一种快速，非接触式的测量电导率的方法，该方法依赖于两种光。首先，可见光的超短脉冲在样品中产生自由移动的电子和空穴-这一过程称为“光掺杂”硅。然后，在远红外至微波范围内，太赫兹脉冲（其波长比人眼所见的波长长得多）照在样品上。与可见光不同，太赫兹光甚至可以穿透不透明的材料，例如硅半导体样品。多少光穿透或吸收到样品中取决于多少载流子自由移动。电荷载流子自由移动越多，材料的电导率就越高。

NIST的化学家Ted Heilweil说：“这种测量不需要接触。”“我们所做的一切都只有光明。”

寻找目标

过去，研究人员使用可见光或紫外光的单个光子执行光掺杂过程。

但是，仅使用一个光子进行掺杂的问题在于，它通常仅以很小的方式穿透样品。而且由于太赫兹光完全穿透了样品，因此研究人员可以有效地使用此方法来研究非常薄的硅样品-大约十分之一到十亿分之一米厚（10至100纳米），比人的头发薄约10,000倍。

如果样品这么薄，研究人员就会遇到与传统霍尔技术相同的问题-即表面缺陷会歪曲结果。样品越薄，表面缺陷的影响越大。研究人员陷入了两个目标之间：增加硅样品的厚度，或提高单光子光子获得的灵敏度。解决方案？一次用两个光子照射样品，而不是一次照射一个。通过在硅片上照射两个近红外光子，科学家仍然只使用少量的光。但这足以通过更厚的样本，同时仍能每立方厘米产生最少的电子和空穴。

Magnanelli说：“两个光子同时被吸收，我们可以更深入地进入材料，并且可以看到产生的电子和空穴少得多。”使用双光子测量意味着研究人员可以将功率水平保持在尽可能低的水平，但仍可以完全穿透样品。常规测量可以解析每立方厘米不少于一百万亿个载波。 NIST团队使用其新方法解决了仅10万亿，灵敏度至少提高了10倍-降低了测量门槛。到目前为止研究的样本比其他一些样本厚大约半毫米，足够以避免表面缺陷问题。

在降低测量自由空穴和电子的阈值时，NIST研究人员发现了两个令人惊讶的结果：

其他方法表明，随着研究人员产生越来越少的电子和空穴，他们的仪器测量样品中越来越高的载流子迁移率-但仅在一个点之前，载流子密度变得如此之低，以至于迁移率达到平稳状态。通过使用他们的非接触式方法，NIST研究人员发现平稳期发生在比以前认为的更低的载流子密度上，并且迁移率比以前测得的高50％。

Heilweil说：“这种意外结果向我们展示了我们以前对硅所不了解的东西。” “尽管这是基础科学，但更多地了解硅的工作方式可以帮助设备制造商更有效地使用它。例如，某些半导体在比目前使用的掺杂水平更低的情况下可能会更好地工作。”

研究人员还在另一种流行的感光半导体砷化镓（GaAs）上使用了该技术，以证明其结果并非硅所独有。他们发现，在GaAs中，载流子迁移率随着电荷载流子密度的降低而继续增加，这比常规接受的极限低约100倍。

NIST未来的工作可能集中在对样品应用不同的光掺杂技术，以及改变样品的温度。用较厚的样品进行试验可能会在半导体中提供更令人惊讶的结果。Heilweil说：“当我们在较厚的样品上使用双光子方法时，我们可能会产生更低的载流子密度，然后可以用THz脉冲进行探测。”

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