在發現霍爾效應數十年之後，人們意識到，利用光也可以進行霍爾效應測量，這就是所謂的光霍爾實驗。然而，由於對霍爾效應的理解局限，標準的霍爾效應測量只能讓科學家對占大多數的電荷載流子有所了解，而無法同時獲取兩種載流子的特性。
就在最近，科學家發現一種新技術——載流子解析光霍爾測量，它能夠同時提取半導體中的多數和少數載流子信息，也就是能同時獲得電子和空穴的密度、遷移率等信息，從而解決了長期存在於固體物理學中的「光霍爾雙載流子傳輸」問題。
撰文 | 二宗主
半導體是支撐著當今數字時代的基本構成部分。可以說，如果沒有半導體，許多用於生活和工作的設備，包括計算機、智慧型手機和其他移動設備，都將無法使用。半導體在功能和性能上的不斷改進，使得更新一代的計算、傳感和能量轉換成為可能。然而長久以來，一個與半導體有關的問題一直困擾著科學家，那就是我們無法完全理解半導體器件和先進的半導體材料內部的電荷方面的局限性，因為這種局限影響了半導體研究的進一步發展。
在一項新的研究中，物理學家作出了一項與一個已經被發現了140年之久的現象——霍爾效應——有關的突破，這一突破使得我們可以更加詳盡地了解半導體的物理特性，對研發和改進半導體材料有著重大意義。
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要真正理解半導體物理學，我們首先需要了解材料內部電荷載流子的基本性質，比如這些載流子所帶的電荷為正還是負，在外電場的作用下速度如何，在半導體材料中有著怎樣的密度等等。
1879年，埃德溫·霍爾（Edwin Hall）發現了一種可以確定這些屬性的方法。當時，他發現導體中的電荷運動會在磁場的作用下發生偏轉，如果電流和磁場彼此成直角，洛倫茲力就會使帶電粒子向一邊偏轉，一個垂直於電流和磁場方向的電壓就會開始增加，這個電壓就被稱為霍爾電壓。
霍爾效應：B代表磁場，E代表電場。
這一概念解鎖了許多電荷載流子在半導體中的基本信息，包括它們是否是負電子，或者說是被稱為「空穴」的正准粒子，它們在電場中的移動速度（或它們的「遷移率」，μ），以及在半導體中的密度（n）。
在發現霍爾效應的幾十年後，有研究人員意識到利用光也可以進行霍爾效應測量，即所謂的光霍爾實驗（如下圖）。在這些實驗中，光照會在半導體中產生多個電荷載流子，或者說是電子-空穴對。只可惜，由於對霍爾效應的理解局限，標準的霍爾效應測量只能讓科學家對占大多數的電荷載流子（取決於材料是n型還是p型）有所了解。
長期以來，他們一直無法同時獲取兩種載流子（多數和少數）的特性。但是兩種載流子都會導致電導率（σ）和霍爾係數（H，正比於霍爾電壓與磁場的比值）發生變化。因此這些信息對許多與光相關的應用（如太陽能電池、光電設備）都至關重要。
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在新的論文中，一個國際合作的科研團隊發現了一種新的技術，能夠同時提取半導體中的多數和少數載流子信息，也就是能同時獲得電子和空穴的密度、遷移率等信息。不僅如此，這種方法還能獲取到與載流子壽命、載流子擴散長度以及復合過程有關的信息。
他們的發現可以用一個簡潔的方程來表達，即
這個公式能告訴我們，在霍爾效應下，當半導體被光照射時，半導體中空穴和電子的遷移率之差。這是他們通過在不同的光強下測量電導率和霍爾係數而得到的結果。它的發現解決了長期存在於固體物理學中的「光霍爾雙載流子傳輸」問題。
研究人員將這項新技術命名為載流子解析光霍爾（CRPH）測量。這種方法使得我們可以在已知的光照強度的情況下，求得載流子壽命。自霍爾效應被發現以來，這種關係和相關的解決方案已經被隱藏了將近一個半世紀。
有了這一發現，科學家就可以使用除了電場和磁場之外的物理學中最常見的激發源——光——來對半導體材料進行更加全面的了解。
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除了在理論上的突破之外，在實驗技術上的進步對實現這項新技術也至關重要。這項技術需要一個非常「乾淨」的霍爾信號測量，這一要求對於霍爾信號較弱的材料（遷移率低）或當有額外的干擾信號存在時（例如在強光照下）來說會是一個挑戰。因此，他們需要使用交流（振蕩）磁場進行霍爾測量。就像聽收音機時一樣，必須選擇想要的電台頻率，同時拒絕所有其他會成為噪音的頻率。
CRPH技術更進了一步，它不僅可以選擇所需的頻率，而且還用一種稱為鎖相檢測的技術來選擇振蕩磁場的相位。交流霍爾測量的概念其實早就已經存在，但傳統的利用電磁線圈產生交流磁場的方法效率非常的低。
在此之前，我們必須使用各種不同的工具才能獲得上面提到的七個參數中的一部分，而且由於這些技術不使用穩態光照明，因此分析結果往往很複雜。新的CRPH技術可以讓我們在每次測試中，從單一的樣本上獲得所有七個參數的光強度函數。
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新的光霍爾技術或許能為電子材料研究掀開新的篇章，它能讓我們從半導體中提取出數量驚人的信息，其中包括電子和空穴的遷移率、它們的載流子密度、復合壽命、以及電子、空穴和雙極性類型的擴散長度。而在此之前，要獲得這些參數的信息必須使用各種不同的工具來才有可能。
這一新發現和技術將有助於推動半導體在現有和新興技術方面的進步，它讓我們擁有了獲取半導體材料物理特性所需的知識和工具。例如，這將有助於加速下一代半導體技術的發展，如更好的太陽能電池、更好的光電子器件以及用於人工智慧技術的新材料和器件。
參考來源
https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/physics-photo-hall-effect/
https://physicsworld.com/a/new-equation-unlocks-140-year-old-hall-effect-secret/
本文經授權轉載自微信公眾號「原理」。
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