半導(dǎo)體是當(dāng)今數(shù)字電子時代的基礎(chǔ)，為我們提供了許多有益于現(xiàn)代生活的設(shè)備，包括計算機，智能手機和其他移動設(shè)備。半導(dǎo)體功能和性能的提高同樣使半導(dǎo)體可以用于計算，傳感和能量轉(zhuǎn)換的下一代應(yīng)用。然而，研究人員長期以來一直在努力限制我們充分理解半導(dǎo)體器件和先進的半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電荷的能力，從而限制了我們推動進一步發(fā)展的能力。

在《自然》雜志上的一項新研究中，一項由IBM Research牽頭的合作描述了一個具有140年歷史的物理學(xué)謎題中的令人振奮的突破，這一謎題使我們能夠更詳細(xì)地揭示半導(dǎo)體的物理特性，并有助于開發(fā)新的和改進的半導(dǎo)體材料。

為了真正理解半導(dǎo)體的物理原理，我們首先需要了解材料內(nèi)部的電荷載流子的基本特性，即這些粒子是正粒子還是負(fù)粒子，它們在施加電場下的速度以及它們在材料中的堆積密度。物理學(xué)家埃德溫·霍爾(Edwin Hall)在1879年發(fā)現(xiàn)了一種確定這些性質(zhì)的方法，當(dāng)時他發(fā)現(xiàn)磁場會偏轉(zhuǎn)導(dǎo)體內(nèi)電子電荷的運動，并且偏轉(zhuǎn)量可以測量為垂直于電荷流的電壓，如圖所示在圖1a中。該電壓稱為霍爾電壓，可以解鎖有關(guān)半導(dǎo)體中載流子的基本信息，包括它們是負(fù)電子還是稱為“空穴”的準(zhǔn)準(zhǔn)粒子。電場或它們的“遷移率”(μ)及其半導(dǎo)體內(nèi)部的密度(n)。

一個140歲的秘密

霍爾被發(fā)現(xiàn)幾十年后，研究人員還認(rèn)識到可以用光進行霍爾效應(yīng)測量，這被稱為光霍爾實驗，如圖1b所示。在這樣的實驗中，光照射在半導(dǎo)體中產(chǎn)生多個載流子或電子-空穴對。不幸的是，我們對基本霍爾效應(yīng)的理解僅提供了對主要電荷載體(或多數(shù)電荷載體)的見解。研究人員無法同時提取兩種載體(多數(shù)和少數(shù)載體)的特性。對于許多涉及光的應(yīng)用，例如太陽能電池和其他光電設(shè)備，此類信息至關(guān)重要。

IBM Research在《自然》雜志上的研究揭示了霍爾效應(yīng)長期存在的秘密之一。韓國科學(xué)技術(shù)研究院KAIST，韓國化學(xué)技術(shù)研究院KRICT，杜克大學(xué)和IBM的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的公式和技術(shù)，使我們能夠同時提取大多數(shù)和少數(shù)攜帶者的信息，例如其密度流動性，以及有關(guān)載流子壽命，擴散長度和重組過程的更多見解。

更具體地說，在光霍爾實驗中，兩個載流子都有助于電導(dǎo)率(σ)和霍爾系數(shù)(H，與霍爾電壓與磁場之比成比例)的變化。關(guān)鍵見解來自于測量電導(dǎo)率和霍爾系數(shù)隨光強度的變化。隱藏在電導(dǎo)率-霍爾系數(shù)(σ-H)曲線的軌跡中，揭示了一個至關(guān)重要的新信息：兩種載流子遷移率的差異。如本文所述，該關(guān)系可以優(yōu)雅地表示為：Δμ = d(σ2H)/dσ

從黑暗中傳統(tǒng)霍爾測量得出的已知多數(shù)載流子密度開始，我們可以解決多數(shù)和少數(shù)載流子遷移率和密度隨光強度的變化。該團隊將新技術(shù)命名為“攜帶者分辨照相館”(CRPH)測量。利用已知的光照強度，可以類似地建立載流子壽命。自從發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來，這種關(guān)系和相關(guān)解決方案已經(jīng)隱藏了近半個世紀(jì)。

除了在理論理解上的進步以外，實驗技術(shù)的進步對于啟用這種新技術(shù)也至關(guān)重要。該技術(shù)需要干凈的霍爾信號測量，這對于霍爾信號微弱(例如，由于遷移率較低)或存在多余的有害信號(例如在強光照射下)的材料而言可能是一個挑戰(zhàn)。為此，需要在一個振蕩(交流)磁場下進行霍爾測量。就像收聽廣播一樣，人們必須選擇所需電臺的頻率，同時還要拒絕所有其他充當(dāng)噪聲的頻率。CRPH技術(shù)更進一步，在一種稱為鎖定檢測的技術(shù)中，它不僅選擇所需的頻率，而且還選擇振蕩磁場的相位。交流霍爾測量的概念早已為人所知，

前體發(fā)現(xiàn)

正如科學(xué)中經(jīng)常發(fā)生的那樣，一個領(lǐng)域的進步是由另一領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)觸發(fā)的。2015年，IBM Research報告了物理學(xué)中與新的磁場限制效應(yīng)有關(guān)的物理學(xué)領(lǐng)域以前未知的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為“駝峰效應(yīng)”，該現(xiàn)象在兩行橫向偶極子超過臨界長度時會發(fā)生，如圖2a所示。該效果是關(guān)鍵特性，可啟用一種新型的自然磁阱，稱為平行偶極子線(PDL)阱，如圖2b所示。PDL磁阱可作為各種傳感器應(yīng)用(例如傾角儀和地震儀(地震傳感器))的新穎平臺。

令人驚訝的是，同一PDL元素具有另一個獨特的應(yīng)用程序。旋轉(zhuǎn)后，它可以作為光霍爾實驗的理想系統(tǒng)，以獲得強大的，單向的和純凈的諧波磁場振蕩(圖2c)。更重要的是，該系統(tǒng)提供了足夠的空間，可對樣品進行大面積照明，這在光霍爾實驗中至關(guān)重要。

影響

新開發(fā)的照相館技術(shù)使我們能夠從半導(dǎo)體中提取大量信息。與經(jīng)典霍爾測量中僅獲得三個參數(shù)相比，這項新技術(shù)在每個測試光強度下最多可產(chǎn)生七個參數(shù)。這些包括電子和空穴的遷移率;它們在光下的載流子密度;重組壽命電子，空穴和雙極性類型的擴散長度。所有這些都可以重復(fù)N次(即實驗中使用的光強度設(shè)置的數(shù)量)。

這一新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)將有助于推動半導(dǎo)體在現(xiàn)有技術(shù)和新興技術(shù)方面的進步?，F(xiàn)在，我們擁有提取半導(dǎo)體材料的物理特性所需的知識和工具。例如，這將有助于加快下一代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，例如更好的太陽能電池，更好的光電設(shè)備以及用于人工智能技術(shù)的新材料和設(shè)備。