来源：美国国家标准与技术研究院(NIST) Ben P. Stein；电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 廖琪 编译

为了在硅中产生电荷，研究人员将脉冲激光照射到样品上。利用可见光进行的单光子测试只能以微小的方式穿透硅样品——以微米(百万分之一米)或更小的数量级。但是新的双光子测试使用近红外光穿透硅的深度，达到毫米(千分之一米)或更长。单光子测试在相对较小的体积中产生大量电荷(这里显示为正电荷和负电荷)。相比之下，双光子测试在更大的体积中产生更少的电荷。图片来源：S. Kelley/NIST

    硅，是最有名的半导体，在电子设备中无处不在，包括手机、笔记本电脑和汽车中的电子产品。现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员对硅中电荷的移动速度进行了迄今为止最敏感的测量，硅是一种衡量半导体性能的指标。利用一种新的方法，他们发现了硅在之前任何一位科学家无法测试的环境下的表现——特别是在极低的电荷水平下。新的研究结果可能为进一步改善半导体材料及其应用，包括太阳能电池和下一代高速蜂窝网络，提供了方法。NIST的科学家今天在《光学快报》上报道了他们的研究结果。

    与之前的技术不同，这种新方法不需要与硅样品进行物理接触，而且允许研究人员轻松地测试相对较厚的样品，从而实现对半导体特性的最精确测量。

    NIST的研究人员此前曾用其他半导体对这种方法进行了原理验证测试。但是这项最新的研究是研究人员第一次将新的基于光的技术与传统的基于接触的硅方法进行比较。

    现在说这项技术将来会如何应用于工业还为时过早。但是，这些新发现可能为未来的工作打下基础，这些工作的重点是制造更好的半导体材料，用于各种应用，包括可能提高太阳能电池、单光子光探测器、LED等的效率。例如，NIST团队的超快测量非常适合用于高速纳米尺度电子产品的测试，比如用于最新的数字蜂窝网络——第五代(5G)无线技术的测试。此外，本研究中使用的低强度脉冲光模拟了太阳能电池从太阳接收的那种低强度光。

    NIST的Tim Magnanelli说:“我们在这个实验中使用的光强度类似于太阳能电池在一个阳光明媚的春日可能吸收的光强度。”“所以这项工作有可能在未来的某一天应用于提高太阳能电池的效率。”

    这项新技术也被认为是最基本地了解掺杂是如何影响硅电荷运动的方法。掺杂是光传感器细胞中常见的一种过程，即在材料中掺入另一种物质(称为“掺杂剂”)来增加导电性。

    深入挖掘

    当研究人员想要确定一种材料作为半导体的性能时，他们会评估它的导电性。测量电导率的一种方法是测量它的“电荷载流子迁移率”，即电荷在材料中移动的速度。负电荷载体是电子；正电荷载流子被称为“空穴”，是电子丢失的地方。

    传统的电荷载流子迁移率测试技术称为霍尔法。这涉及到将触点焊接到样品上，并在磁场中通过这些触点传递电流。但是这种基于接触的方法有缺点：表面杂质或缺陷，甚至接触本身的问题都可能使结果产生偏差。

    为了克服这些挑战，NIST的研究人员一直在试验一种使用太赫兹(THz)辐射的方法。

    NIST的THz测量方法是一种快速、非接触式的电导率测量方法，它依赖于两种光。首先，超短的可见光脉冲在样品中产生自由移动的电子和空穴，这一过程被称为硅的“光掺杂”。然后，THz脉冲，其波长比人眼所能看到的要长得多，在远红外线到微波的范围内，照射在样品上。

    与可见光不同，THz光甚至可以穿透不透明的材料，如硅半导体样品。有多少光穿透或被样品吸收取决于有多少载流子在自由移动。载流子移动得越自由，材料的电导率就越高。

    NIST的化学家泰德•海尔威尔说:“这种测量不需要任何接触。”“我们所做的一切都是有光的。”

    寻找最佳位置

    过去，研究人员使用可见光或紫外光的单光子来进行光掺杂过程。

    然而，只使用一个光子进行掺杂的问题是，它通常只能穿透样品的一小部分。由于THz光完全穿透样品，研究人员可以有效地使用这种方法来研究非常薄的硅样品——大约10到1000亿分之一米厚(10到100纳米)，大约比人的头发细1万倍。

    然而，如果样品很薄，研究人员就会遇到一些与传统霍尔技术相同的问题，即表面缺陷会影响结果。样品越薄，表面缺陷的影响越大。

    研究人员在两个目标之间左右为难:增加硅样品的厚度，或者增加他们从使用单光子获得的灵敏度。

    解决方案是什么?用两个光子而不是一个光子同时照射样品。

    通过在硅上照射两个近红外光子，科学家们仍然只使用了少量的光。但这足以通过更厚的样品，同时仍然每立方厘米上创造尽可能少的电子和孔。

    “两个光子同时被吸收，我们可以更深入地研究材料，我们可以看到更少的电子和空穴产生，”Magnanelli说。

    使用双光子测量意味着研究人员可以保持尽可能低的功率水平，但仍然完全穿透样品。传统的测量方法每立方厘米可以分解不少于一百万亿的载流子。使用这种新方法，NIST团队仅解决了10万亿，灵敏度至少提高了10倍——这是一个较低的测量阈值。

    到目前为止，研究的样本比其他一些样本要厚——大约半毫米厚。厚度足以避免表面缺陷问题。

    通过降低测量自由空穴和电子的阈值，NIST的研究人员发现了一些令人惊讶的结果：

    其他的方法已经表明，当研究人员制造越来越少的电子和空穴时，他们的仪器测量到样品中越来越高的载流子迁移率，但只有在某一点之后，载流子密度变得非常低，迁移率才会趋于稳定。NIST的研究人员利用他们的非接触式方法发现，该平台的载流子密度比之前认为的要低，其移动速率比之前测量的要高50%。

    “这样一个意想不到的结果向我们展示了以前我们对硅一无所知的东西，”Heilweil说。尽管这是一门基础科学，但更多地了解硅的工作原理可以帮助设备制造商更有效地利用它。例如，一些半导体在较低的掺杂水平下可能比目前使用的效果更好。”

    研究人员还在砷化镓(GaAs)（另一种流行的光敏半导体）上使用了这一技术，以证明他们的结果并非只适用于硅。在砷化镓中，他们发现载流子的迁移率随着载流子密度的降低而持续增加，大约比传统的接受极限低100倍。

    NIST未来的工作重点可能是在样品上应用不同的光掺杂技术，以及改变样品的温度。用更厚的样品做实验可能会在半导体领域得到更令人惊讶的结果。“当我们在更厚的样品上使用双光子方法时，我们可能产生更低的载流子密度，然后我们可以用THz脉冲探测，”Heilweil说。