在《自然》雜誌上的一項新研究中，由IBM Research牽頭的一項合作描述了一個具有140年歷史的物理學謎題中的令人振奮的突破，這一謎題使我們能夠更詳細地揭示半導體的物理特性，並有助於開發新的和改進的半導體材料。
半導體是當今數字電子時代的基礎，為我們提供了許多有益於現代生活的設備，包括計算機，智慧型手機和其他移動設備。半導體功能和性能的提高同樣使半導體可以用於計算，傳感和能量轉換的下一代應用。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體器件和先進的半導體材料內部的電荷的能力，從而限制了我們推動進一步發展的能力。
在《自然》雜誌上的一項新研究中，由IBM Research牽頭的一項合作描述了一個具有140年歷史的物理學謎題中的令人振奮的突破，這一謎題使我們能夠更詳細地揭示半導體的物理特性，並有助於開發新的和改進的半導體材料。
為了真正理解半導體的物理原理，我們首先需要了解材料內部的電荷載流子的基本特性，即這些粒子是正粒子還是負粒子，它們在施加電場下的速度以及它們在材料中的堆積密度。物理學家埃德溫·霍爾（Edwin Hall）在1879年發現了一種確定這些性質的方法，當時他發現磁場會偏轉導體內電子電荷的運動，並且偏轉量可以測量為垂直於電荷流的電壓，如圖所示在圖1a中。該電壓稱為霍爾電壓，可解鎖有關半導體中電荷載流子的基本信息，包括它們是負電子還是稱為「空穴」的准准粒子，它們在電場中的移動速度或它們的「遷移率」（ μ）及其在半導體內部的密度（n）。
一個140年的秘密
霍爾被發現幾十年後，研究人員還認識到可以用光進行霍爾效應測量，這被稱為光霍爾實驗，如圖1b所示。在這樣的實驗中，光照射在半導體中產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的理解僅提供了對主要電荷載體（或多數電荷載體）的見解。研究人員無法同時提取兩種載體（多數和少數載體）的特性。對於許多涉及光的應用，例如太陽能電池和其他光電設備，此類信息至關重要。
IBM Research在《自然》雜誌上的研究揭示了霍爾效應長期存在的秘密之一。韓國科學技術研究院KAIST，韓國化學技術研究院KRICT，杜克大學和IBM的研究人員發現了一種新的公式和技術，使我們能夠同時提取大多數和少數攜帶者的信息，例如其密度流動性，以及有關載流子壽命，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，兩個載流子都有助於電導率（σ）和霍爾係數（H，與霍爾電壓與磁場之比成比例）的變化。關鍵見解來自於測量電導率和霍爾係數隨光強度的變化。隱藏在電導率-霍爾係數（σ-H）曲線的軌跡中，揭示了一個至關重要的新信息：兩種載流子遷移率的差異。正如本文所討論的，這種關係可以優雅地表示為：Δµ = d（σ²H）/dσ。
從黑暗中傳統霍爾測量得出的已知多數載流子密度開始，我們可以解決多數和少數載流子遷移率和密度隨光強度的變化。該團隊將新技術命名為「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。自從發現霍爾效應以來，這種關係和相關解決方案已經隱藏了近半個世紀。
除了在理論理解上的進步以外，實驗技術的進步對於啟用這種新技術也至關重要。該技術需要乾淨的霍爾信號測量，這對於霍爾信號微弱（例如由於遷移率低）的材料或當存在多餘的不想要的信號（例如在強光照射下）的材料時可能具有挑戰性。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台的頻率，同時還要拒絕所有其他充當噪聲的頻率。 CRPH技術更進一步，在一種稱為鎖定檢測的技術中，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，但是使用電磁線圈系統產生交流磁場的傳統技術效率低下。
前體發現
正如科學中經常發生的那樣，一個領域的進步是由另一領域的發現觸發的。 2015年，IBM Research報告了物理學中與新的磁場限制效應有關的物理學領域以前未知的現象，這種現象被稱為「駝峰效應」，該現象在兩行橫向偶極子超過臨界長度時會發生，如圖2a所示。該效果是關鍵特性，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用（例如傾角儀和地震儀（地震傳感器））的新穎平台。這種新穎的傳感器系統與大數據技術一起可以打開許多新應用程式，IBM研究團隊正在研究開發一個稱為IBM物理分析集成存儲庫服務（PAIRS）的大數據分析平台，該平台託管了無數的地理空間和物聯網（IoT） ）傳感器數據。
令人驚訝的是，同一PDL元素具有另一個獨特的應用程式。旋轉後，它可以作為光霍爾實驗的理想系統，以獲得強大的，單向的和純凈的諧波磁場振蕩。更重要的是，該系統提供了足夠的空間，可對樣品進行大面積照明，這在光霍爾實驗中至關重要。
影響
新開發的照相館技術使我們能夠從半導體中提取大量信息。與經典霍爾測量中僅獲得三個參數相比，這項新技術在每個測試光強度下最多可產生七個參數。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。所有這些都可以重複N次（即實驗中使用的光強度設置的次數）。
這一新發現和新技術將有助於推動半導體在現有技術和新興技術方面的進步。現在，我們擁有提取半導體材料的物理特性所需的知識和工具。例如，這將有助於加快下一代半導體技術的發展，例如更好的太陽能電池，更好的光電設備以及用於人工智慧技術的新材料和設備。