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為了在矽中產生電荷，研究人員將脈衝雷射照射到樣品上。利用可見光進行的單光子測試只能以微小的方式穿透矽樣品——以微米或更小的數量級。但是新的雙光子測試使用近紅外光穿透矽的深度，達到毫米或更深。單光子測試在相對較小的體積中產生大量電荷(這裡顯示為正電荷和負電荷)。相比之下，雙光子測試在更大的體積中產生更少的電荷。矽是最有名的半導體，在電子設備中無處不在，包括手機、筆記本電腦和汽車中的電子產品。現在，美國國家標準與技術研究院(NIST)的研究人員對矽中電荷的移動速度進行了迄今為止最敏感的測量。利用一種新的方法，他們發現了矽在任何科學家之前無法測試的環境下的表現，特別是在極低的電荷水平下。新的研究結果可能為進一步改善半導體材料及其應用，包括太陽能電池和下一代高速蜂窩網絡，提供了方法。NIST的科學家在《光學快報》上報導了他們的研究結果。
與之前的技術不同，這種新方法不需要與矽樣品進行物理接觸，而且允許研究人員輕鬆地測試相對較厚的樣品，從而實現對半導體特性的最精確測量。
NIST的研究人員此前曾用其他半導體對這種方法進行了原理驗證測試。但是這項最新的研究是研究人員第一次將新的基於光的技術與傳統的基於接觸的矽方法進行比較。
現在說這項技術將來會如何應用於工業還為時過早。但是，這些新發現可能為未來的工作打下基礎，這些工作的重點是製造更好的半導體材料，用於各種應用，包括可能提高太陽能電池、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用於高速納米尺度電子產品的測試，比如用於最新的數字蜂窩網絡——第五代(5G)無線技術的測試。此外，本研究中使用的低強度脈衝光模擬了太陽能電池從太陽接收的那種低強度光。
NIST的Tim Magnanelli說：「我們在這個實驗中使用的光強度類似於一個陽光明媚的春日裡太陽能電池吸收的光強度。」「所以這項工作有可能在未來的某一天應用於提高太陽能電池的效率。」
這項新技術也被認為是最基本地了解摻雜是如何影響矽電荷運動的方法。摻雜是光傳感器細胞中常見的一種過程，即在材料中摻入另一種物質(稱為「摻雜劑」)來增加導電性。
挖深
當研究人員想要確定一種材料作為半導體的性能時，他們會評估它的導電性。測量電導率的一種方法是測量它的「電荷載體遷移率」，即電荷在材料中移動的速度。負電荷載體是電子；正電荷載流子被稱為「空穴」，是電子丟失的地方。
傳統的電荷載流子遷移率測試技術稱為霍爾法。這涉及到將觸點焊接到樣品上，並在磁場中通過這些觸點傳遞電流。但是這種基於接觸的方法有缺點：表面雜質或缺陷，甚至接觸本身的問題都可能使結果產生偏差。
為了克服這些挑戰，NIST的研究人員一直在試驗一種使用太赫茲(THz)輻射的方法。
NIST的THz測量方法是一種快速、非接觸式的電導率測量方法，它依賴於兩種光。首先，超短的可見光脈衝在樣品中產生自由移動的電子和空穴，這一過程被稱為矽的「光摻雜」。然後，THz脈衝，其波長比人眼所能看到的要長得多，在遠紅外線到微波的範圍內，照射在樣品上。
與可見光不同，THz光甚至可以穿透不透明的材料，如矽半導體樣品。光穿透或被樣品吸收的程度取決於有多少載流子在自由移動。載流子越自由移動，材料的電導率就越高。NIST的化學家泰德·海爾威爾說：「這種測量不需要任何接觸。」「我們所做的一切都是光。」
找到最佳位置
過去，研究人員使用可見光或紫外光的單光子來進行光摻雜過程。
然而，只使用一個光子進行摻雜的問題是，它通常只能穿透樣品的一小部分。由於THz光完全穿透樣品，研究人員可以有效地使用這種方法來研究非常薄的矽樣品——大約10到1000億分之一米厚(10到100納米)，大約比人的頭髮細1萬倍。
然而，如果樣品很薄，研究人員就會遇到一些與傳統霍爾技術相同的問題，即表面缺陷會影響結果。樣品越薄，表面缺陷的影響越大。
研究人員在兩個目標之間左右為難：增加矽樣品的厚度，或者增加使用單光子的靈敏度。解決方案？用兩個光子而不是一個光子同時照射樣品。
通過在矽上照射兩個近紅外光子，科學家們仍然只使用了少量的光。但這足以通過更厚的樣品，同時仍然創造儘可能少的電子和孔每立方釐米。「兩個光子同時被吸收，我們可以更深入地研究材料，我們可以看到更少的電子和空穴產生，」Magnanelli說。
使用雙光子測量意味著研究人員可以保持儘可能低的功率水平，但仍然完全穿透樣品。傳統的測量方法每立方釐米可以分解不少於一百萬億的載流子。使用這種新方法，靈敏度至少提高了10倍——這是一個較低的測量閾值。
到目前為止，研究的樣本比其他一些樣本厚——大約半毫米厚。厚度足以避免表面缺陷問題。通過降低測量自由空穴和電子的閾值，NIST的研究人員發現了一些令人驚訝的結果：
其他的方法已經表明，當研究人員製造越來越少的電子和空穴時，他們的儀器測量到樣品中越來越高的載流子遷移率，但只有在某一點之後，載流子密度變得非常低，遷移率才會趨於穩定。NIST的研究人員利用他們的非接觸式方法發現，該平臺的載流子密度比之前認為的要低，其移動速率比之前測量的要高50%。
「這樣一個意想不到的結果向我們展示了以前我們對矽一無所知的東西，」Heilweil說。儘管這是一門基礎科學，但更多地了解矽的工作原理可以幫助設備製造商更有效地利用它。例如，一些半導體在較低的摻雜水平下可能比目前使用的效果更好。」
研究人員還在砷化鎵(GaAs)(另一種流行的光敏半導體)上使用了這一技術，以證明他們的結果並非只適用於矽。在砷化鎵中，他們發現載流子的遷移率隨著載流子密度的降低而持續增加，大約比傳統的接受極限低100倍。
NIST未來的工作重點可能是在樣品上應用不同的光摻雜技術，以及改變樣品的溫度。用更厚的樣品做實驗可能會在半導體領域得到更令人驚訝的結果。