半导体是数字设备的基本构件。半导体功能和性能的改进同样使下一代半导体应用于计算、传感和能量转换成为可能。然而，长期以来，研究人员在充分理解半导体器件和先进半导体材料中的电荷方面一直受到限制，这限制了他们推动进一步发展的能力。
在一项发表在《自然》杂志上的新研究中，一项由IBM研究牵头的合作项目描述了物理学领域一项激动人心的突破，这项突破解开了140年之久的物理学之谜，使研究人员能够更详细地揭示半导体的物理特性，并有助于开发新的和改进的半导体材料。
为了真正理解半导体的物理，我们首先需要知道材料内部载流子的基本性质，这些粒子是正的还是负的，它们在外加电场下的速度以及它们在材料中的密度。物理学家埃德温·霍尔(Edwin Hall)在1879年发现了一种确定这些特性的方法，当时他发现磁场会使导体内电荷的运动发生偏转，偏转的量可以用垂直于电荷流的电压来测量，如图1a所示。这个电压,称为霍尔电压。
一个140年的秘密
霍尔发现后几十年，研究人员也认识到他们可以利用光进行霍尔效应测量，即所谓的照片霍尔实验，如图1b所示。在这样的实验中，光照明在半导体中产生多个载流子或电子空穴对。不幸的是，对霍尔基本效应的理解只提供了对主导电荷载体(或多数载体)的洞察。研究人员无法同时提取两种载体(多数和少数)的特性。这些信息对于许多涉及光的应用都是至关重要的，比如太阳能电池和其他光电设备。
IBM Research在《自然》(Nature)杂志上发表的研究揭示了霍尔效应长期存在的一个秘密。韩科院的研究人员(韩国先进科学技术研究所),KRICT(韩国研究所化学技术)、杜克大学和IBM发现了一种新的配方和技术提取等多数和少数载流子信息密度和流动性,以及获得更多的见解关于载体,扩散长度和重组过程。
更具体地说,在photo-Hall实验,两家航空公司导致电导率(σ)和霍尔系数的变化(H,它正比于磁场的霍尔电压的比值)。关键的洞察力来自测量电导率和霍尔系数作为光强度的函数。隐藏在conductivity-Hall系数(σ-H)的轨迹曲线,揭示了一个重要的新信息:两家航空公司的流动性差。正如本文所讨论的,这种关系可以表示为:Δµ= d(σ²H) / dσ
打开UC浏览器 查看更多精彩图片
从传统黑暗霍尔测量已知的多数载流子密度开始，研究人员解决了多数载流子和少数载流子的迁移率和密度作为光强的函数。该团队将这项新技术命名为载波解析照片大厅(CRPH)测量。在已知光照强度的情况下，同样可以建立载流子寿命。自从霍尔效应被发现以来，这种关系和相关的解决方案已经被隐藏了将近一个半世纪。
除了在理论理解上的进步外，实验技术的进步也对实现这项新技术至关重要。该技术需要一个干净的霍尔信号测量，这对于霍尔信号较弱的材料(例如，由于低迁移率)或当额外不需要的信号存在时(例如在强光照明下)可能是一个挑战。为此，需要用振荡(交流)磁场进行霍尔测量。就像听收音机一样，一个人必须选择想要的电台频率，同时拒绝所有其他作为噪音的频率。CRPH技术更进一步，不仅选择所需的频率，而且还选择了一种称为锁相检测的技术中振荡磁场的相位。交流霍尔测量的概念早已为人所知，但传统的利用电磁线圈系统产生交流磁场的方法效率低下。
正如科学中经常发生的那样，一个领域的进步是由另一个领域的发现引发的。，IBM研究报告了一种以前不为人知的物理现象，它与一种新的磁场约束效应有关，被称为“驼背”效应，这种效应发生在两条横向偶极子线之间，当它们超过临界长度时，如图2a所示。这种效应是一种新型自然磁阱的关键特性，这种磁阱被称为平行偶极线(PDL)阱，如图2b所示。PDL磁阱可以作为各种传感器应用的新平台，如倾斜仪和地震检波器(地震传感器)。这种新型的传感器系统和大数据技术可以开启许多新的应用，IBM的研究团队正在开发一个名为IBM物理分析集成存储库服务(pair)的大数据分析平台，该平台托管大量的地理空间和物联网传感器数据。
相同的PDL元素有另一个惟一的应用程序。当旋转时，它可以作为一个理想的光厅实验系统，获得强、单向和纯谐波磁场振荡(图2c)。更重要的是，该系统提供了足够的空间，允许大面积的照明到样品，这是关键的照片大厅实验。
新开发的光电霍尔技术从半导体中提取了数量惊人的信息。与在传统霍尔测量中只获得三个参数相比，这种新技术在每个测试的光强下可获得七个参数。这些包括电子和空穴的迁移率;光下载流子密度;复合寿命;以及电子、空穴和双极性类型的扩散长度。所有这些都可以重复N次(即实验中使用的光强设置的数量)。
这一新发现和技术将有助于推动半导体在现有和新兴技术方面的进步。它提供了详细提取半导体材料物理特性所需的知识和工具。例如，这可能会加速下一代半导体技术的发展，如更好的太阳能电池、更好的光电子器件以及用于人工智能技术的新材料和器件。
