為了在矽中產生電荷，研究人員將脈衝雷射照射到樣品上。使用可見光的單光子測試僅能穿透矽樣品很小的厚度-約為微米級（百萬分之一米）或更小。但是，新的使用近紅外光的雙光子測試可以穿透矽的深度更大、更深，達到毫米級或更大。單光子測試會在相對較小的體積中產生大量電荷（此處顯示為正負）。相比之下，雙光子測試在大得多的體積中產生的電荷要少得多。圖片來源：S. Kelley/NIST
矽是最著名的半導體，在包括手機、筆記本電腦和汽車電子等電子設備中無處不在。現在，美國國家標準技術研究院（NIST）的研究人員對矽中電荷移動的速度進行了迄今為止敏感度最高的測量，這是衡量矽作為半導體性能的標準。他們使用一種新穎的方法發現了矽在科學家以前無法測試的情況下，特別是在超低電荷水平下的性能。新的結果可能提出進一步改善半導體材料及其應用的方法，包括太陽能電池和下一代高速行動網路。NIST的科學家在Optics Express中報告了他們的結果。
與以前的技術不同，新方法不需要與矽樣品進行物理接觸，並且使研究人員可以輕鬆測試相對較厚的樣品，從而可以最準確地測量半導體性能。
NIST的研究人員以前使用其他半導體對該方法進行了原理驗證測試。但是，這項最新研究是研究人員第一次將這種基於光的新技術與傳統的基於接觸的矽方法進行對比。
現在要確切地說出行業如何使用這項工作還為時過早。但是，新發現可能是未來工作的基礎，該工作致力於為各種應用製造更好的半導體材料，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備，例如第五代（5G）無線技術中使用的那些設備。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低強度光。
NIST的蒂姆·麥格納內利（Tim Magnanelli）說：「我們在本實驗中使用的光類似於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未來找到提高太陽能電池效率的應用。」
可以說，這項新技術也是對矽中電荷的移動如何受到摻雜產生基本了解的最佳方法，摻雜是光傳感器單元中常見的一種過程，涉及將材料摻入另一種摻雜物質（稱為「摻雜劑」）。增加電導率。
深入挖掘
當研究人員想要確定某種材料作為半導體的性能時，他們會評估其導電性。衡量電導率的一種方法是測量其「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；正電荷載流子稱為「空穴」，是缺少電子的地方。
測試載流子遷移率的常規技術稱為霍爾法。這涉及將觸點焊接到樣品上並使電流在磁場中通過這些觸點。但是這種基於接觸的方法有缺點：結果可能會因表面雜質或缺陷甚至接觸本身的問題而出現偏差。
為了解決這些挑戰，NIST研究人員一直在嘗試使用太赫茲（THz）輻射的測量方法。
NIST的太赫茲測量方法是一種快速，非接觸式的測量電導率的方法，該方法依賴於兩種光。首先，可見光的超短脈衝會在樣品中產生自由移動的電子和空穴，這一過程稱為「光摻雜」矽。然後，在遠紅外至微波範圍內，用太赫茲脈衝（其波長比人眼所見的波長長得多）照射樣品。
與可見光不同，太赫茲光甚至可以穿透不透明的材料，例如矽半導體樣品。多少光穿透或被樣品吸收取決於有多少載流子可以自由移動。載流子自由移動越多，材料的電導率就越高。
NIST的化學家泰德·海威爾（Ted Heilweil）說：「這種測量不需要接觸。我們所做的一切都只有光。」
尋找最佳點
過去，研究人員使用可見光或紫外光的單個光子執行光摻雜過程。
但是，僅使用一個光子進行摻雜的問題在於，它通常僅以很小的方式穿透樣品。由於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矽樣品-大約10至100納米，比人類頭髮的厚度薄約10000倍。
但是，如果樣品那麼薄，研究人員就會遇到與傳統霍爾技術相同的問題，即表面缺陷會扭曲結果。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：增加矽樣品的厚度，或提高單光子光的測試靈敏度。
研究人員的解決方案是一次用兩個光子照射樣品，而不是一次一個。
通過在矽片上照射兩個近紅外光子，科學家仍然只使用少量的光。但這足以通過更厚的樣本，同時仍能每立方釐米產生最少的電子和空穴。
麥格納內利說：「兩個光子同時被吸收，我們可以更深入地進入材料，並且可以看到產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儘可能低的水平，但仍可以完全穿透樣品。常規測量可以解析每立方釐米不少於100萬億個載流子。NIST團隊使用其新方法可解析僅10萬億載流子，靈敏度至少提高了10倍，從而降低了測量門檻。
到目前為止研究的樣本比其他一些樣本厚-大約半毫米，這已經足夠厚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研究人員發現了兩個令人驚訝的結果：
其他方法表明，隨著研究人員產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，但只能達到一個點，此後載流子密度變得非常低，遷移率達到平臺狀態。通過使用他們的非接觸式方法，NIST研究人員發現平臺期發生在比以前認為的更低的載流子密度上，並且遷移率比以前測得的高50％。
海威爾說：「這種意外結果向我們展示了我們以前對矽所不了解的東西。儘管這是基礎科學，但更多地了解矽的工作方式可以幫助設備製造商更有效地使用它。例如，某些半導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光敏半導體砷化鎵（GaAs）上使用了該技術，以證明其結果並非矽所獨有。他們發現，在GaAs中，載流子遷移率隨著載流子密度的降低而繼續增加，這比常規接受的極限低約100倍。
NIST未來的工作可能集中在對樣品應用不同的光摻雜技術，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體中提供更令人驚訝的結果。