IBM Research的文章翻译。
物理学上的重要突破将使我们能够更详细地研究半导体的物理特性。 也许这将有助于加速下一代半导体技术的发展。
作者：
Oki Gunawan -IBM研究人员
Doug Bishop-IBM研究部表征工程师
半导体是当今数字电子时代的主要基础，为我们提供了各种有益于现代生活的设备，例如计算机，智能手机和其他移动设备。 半导体功能和性能的改进也使下一代半导体可以用于计算，识别和转换能量。 长期以来，研究人员一直在努力克服我们完全理解半导体器件和先进的半导体材料内部的电荷的能力的局限性，这些局限性阻碍了我们前进的能力。
在《 自然 》（ Nature）杂志上的一项新研究中，由IBM Research领导的一项研究合著描述了一个令人振奋的突破，揭示了一个已有140年历史的物理学奥秘，这将使我们能够更详细地研究半导体的物理特性，并能够开发新的和改良的半导体材料。
要真正了解半导体的物理学，我们必须首先了解材料内部的电荷载流子的基本特性，无论它们是负粒子还是正粒子，它们在外加电场中的速度以及它们在材料中的堆积密度。 物理学家埃德温·霍尔（Edwin Hall）在1879年发现一种确定这些性质的方法，当时他发现磁场会偏转导体内部电子电荷的移动，并且可以将偏转作为垂直于带电粒子定向流的电势差进行测量，如图1a所示。 该电压称为霍尔电压，可显示有关半导体中载流子的重要信息，包括它们是负电子还是正准粒子（称为“空穴”），它们在电场中移动的速度或它们的“迁移率”（µ） ，以及它们在半导体内部的浓度（n）。
140年之谜
发现霍尔几十年后，研究人员还发现他们可以用光来测量霍尔效应-实验称为照相馆，见图1b。 在这样的实验中，光照射在半导体中产生多个载流子或电子-空穴对。 不幸的是，我们对主霍尔效应的了解仅提供了对主要电荷载流子（或多数载流子）的了解。 研究人员无法同时提取两个载体（主要和次要）的参数。 此类信息对于许多与光相关的应用至关重要，例如太阳能电池板和其他光电设备。
IBM Research在《 自然 》杂志上的一项研究揭示了霍尔效应长期存在的秘密之一。 韩国高等科学技术研究院（KAIST），韩国化学技术研究院（KRICT），杜克大学和IBM的研究人员发现了一种新的配方和技术，使我们可以同时提取有关主要和非基本支持物的信息，例如它们的浓度和迁移率，以及获得有关载体持续时间，扩散长度和重组过程的其他信息。
更具体地说，在光霍尔实验中，两个载流子都有助于电导率（σ）和霍尔系数（H，与霍尔电压与磁场之比成比例）的变化。 关键见解来自于测量电导率和霍尔系数随光强度的变化。 霍尔系数（σ-H）以电导率曲线的形式隐藏，从根本上显示了新的信息：两个载流子迁移率的差异。 正如文章中所讨论的，这种关系可以优雅地表达：
$$显示$$ Δµ = d（σ²H）/dσ$$显示$$
从黑暗中大多数传统霍尔测量的已知载流子密度开始，我们可以同时针对大多数和少数族裔揭示出载流子的迁移率和密度随光强度的变化。 团队称这种新的测量方法为：承运人允许的承运人分辨照相馆（CRPH）。 在已知的光照强度下，可以类似的方式设置载体的寿命。 自从发现霍尔效应以来，这种联系和相关决定已经隐瞒了近一个半世纪。
除了在理论理解上的进步外，实验方法的进步对于提供这种新方法也至关重要。 该方法需要对霍尔信号进行干净的测量，这对于霍尔信号较弱（例如，由于迁移率较低）或存在其他多余信号（如强光暴露）的材料可能很难。 为此，必须使用振荡磁场进行霍尔测量。 与收听广播一样，您必须选择所需电台的频率，并丢弃所有其他充当噪声的频率。 CRPH方法向前迈进了一步，并且根据一种称为同步确定的方法，不仅选择了所需的频率，而且还选择了振荡磁场的相位。 振荡霍尔测量的这一概念早已为人所知，但是使用电磁线圈系统产生振荡磁场的传统方法无效。
以前的开放
正如科学中经常发生的那样，一个领域的进步是由另一领域的发现引起的。 2015年，IBM Research宣布了物理学中一个以前未知的现象，该现象与一种称为“驼峰驼峰”效应的新磁场效应有关，这种现象会在两行横向偶极子超过临界长度时发生，如图2a所示。 该效应是关键特性，它提供了一种新型的自然磁阱，称为平行偶极线阱（PDL阱），如图2b所示。 PDL磁阱可以用作各种传感应用的最新平台，例如倾斜仪，地震仪（地震传感器）。 类似的新传感器系统以及大数据技术可以打开许多新应用程序，并且IBM研究团队正在研究开发一个称为IBM物理分析集成存储库服务（PAIRS）的大数据分析平台，该平台包含许多地理空间和物联网数据（IoT）。
令人惊讶的是，相同的PDL元素还有另一个独特的用途。 当它旋转时，它是光霍尔实验的理想系统，可以接收磁场的单向和纯谐波振荡（图2c）。 更重要的是，该系统提供了足够的空间以允许照亮大面积的标本，这在照相馆实验中至关重要。
影响力
为照相馆开发的新方法使我们能够从半导体中提取大量信息。 与经典霍尔测量中仅获得的三个参数不同，此新方法为每个测试的光强度提供多达七个参数。 这包括电子和空穴的迁移率； 在光的作用下其载体的浓度； 重组寿命 电子，空穴和双极性类型的扩散长度。 所有这些都可以重复N次（即实验中使用的光强度参数的数量）。
这一新发现和新技术将有助于在现有技术和新兴技术方面推动半导体技术的进步。 现在，我们拥有提取半导体材料的物理特性所必需的知识和工具。 例如，它将帮助加速下一代半导体技术的发展，例如最好的太阳能电池板，最好的光电设备以及用于人工智能技术的新材料和设备。
原始文章于2019 年 10月7日发布在IBM Research博客上 。
翻译： Nikolay Marin ，IBM在俄罗斯和CIS的首席技术官。