半導體是數字裝置的基本構件。半導體功能和效能的改進同樣使下一代半導體應用於計算、感測和能量轉換成為可能。然而，長期以來，研究人員在充分理解半導體器件和先進半導體材料中的電荷方面一直受到限制，這限制了他們推動進一步發展的能力。

在一項發表在《自然》雜誌上的新研究中，一項由IBM研究牽頭的合作專案描述了物理學領域一項激動人心的突破，這項突破解開了140年之久的物理學之謎，使研究人員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，我們首先需要知道材料內部載流子的基本性質，這些粒子是正的還是負的，它們在外加電場下的速度以及它們在材料中的密度。物理學家埃德溫·霍爾(Edwin Hall)在1879年發現了一種確定這些特性的方法，當時他發現磁場會使導體內電荷的運動發生偏轉，偏轉的量可以用垂直於電荷流的電壓來測量，如圖1a所示。這個電壓,稱為霍爾電壓。

一個140年的祕密

霍爾發現後幾十年，研究人員也認識到他們可以利用光進行霍爾效應測量，即所謂的照片霍爾實驗，如圖1b所示。在這樣的實驗中，光照明在半導體中產生多個載流子或電子空穴對。不幸的是，對霍爾基本效應的理解只提供了對主導電荷載體(或多數載體)的洞察。研究人員無法同時提取兩種載體(多數和少數)的特性。這些資訊對於許多涉及光的應用都是至關重要的，比如太陽能電池和其他光電裝置。

IBM Research在《自然》(Nature)雜誌上發表的研究揭示了霍爾效應長期存在的一個祕密。韓科院的研究人員(南韓先進科學技術研究所),KRICT(南韓研究所化學技術)、杜克大學和IBM發現了一種新的配方和技術提取等多數和少數載流子資訊密度和流動性,以及獲得更多的見解關於載體,擴散長度和重組過程。

更具體地說,在photo-Hall實驗,兩家航空公司導致電導率(σ)和霍爾係數的變化(H,它正比於磁場的霍爾電壓的比值)。關鍵的洞察力來自測量電導率和霍爾係數作為光強度的函式。隱藏在conductivity-Hall係數(σ-H)的軌跡曲線,揭示了一個重要的新資訊:兩家航空公司的流動性差。正如本文所討論的,這種關係可以表示為:Δµ= d(σ²H) / dσ

從傳統黑暗霍爾測量已知的多數載流子密度開始，研究人員解決了多數載流子和少數載流子的遷移率和密度作為光強的函式。該團隊將這項新技術命名為載波解析照片大廳(CRPH)測量。在已知光照強度的情況下，同樣可以建立載流子壽命。自從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。

除了在理論理解上的進步外，實驗技術的進步也對實現這項新技術至關重要。該技術需要一個乾淨的霍爾訊號測量，這對於霍爾訊號較弱的材料(例如，由於低遷移率)或當額外不需要的訊號存在時(例如在強光照明下)可能是一個挑戰。為此，需要用振盪(交流)磁場進行霍爾測量。就像聽收音機一樣，一個人必須選擇想要的電臺頻率，同時拒絕所有其他作為噪音的頻率。CRPH技術更進一步，不僅選擇所需的頻率，而且還選擇了一種稱為鎖相檢測的技術中振盪磁場的相位。交流霍爾測量的概念早已為人所知，但傳統的利用電磁線圈系統產生交流磁場的方法效率低下。

正如科學中經常發生的那樣，一個領域的進步是由另一個領域的發現引發的。2015年，IBM研究報告了一種以前不為人知的物理現象，它與一種新的磁場約束效應有關，被稱為“駝背”效應，這種效應發生在兩條橫向偶極子線之間，當它們超過臨界長度時，如圖2a所示。這種效應是一種新型自然磁阱的關鍵特性，這種磁阱被稱為平行偶極線(PDL)阱，如圖2b所示。PDL磁阱可以作為各種感測器應用的新平臺，如傾斜儀和地震檢波器(地震感測器)。這種新型的感測器系統和大資料技術可以開啟許多新的應用，IBM的研究團隊正在開發一個名為IBM物理分析整合儲存庫服務(pair)的大資料分析平臺，該平臺託管大量的地理空間和物聯網感測器資料。

相同的PDL元素有另一個惟一的應用程式。當旋轉時，它可以作為一個理想的光廳實驗系統，獲得強、單向和純諧波磁場振盪(圖2c)。更重要的是，該系統提供了足夠的空間，允許大面積的照明到樣品，這是關鍵的照片大廳實驗。

新開發的光電霍爾技術從半導體中提取了數量驚人的資訊。與在傳統霍爾測量中只獲得三個引數相比，這種新技術在每個測試的光強下可獲得七個引數。這些包括電子和空穴的遷移率;光下載流子密度;複合壽命;以及電子、空穴和雙極性型別的擴散長度。所有這些都可以重複N次(即實驗中使用的光強設定的數量)。

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。它提供了詳細提取半導體材料物理特性所需的知識和工具。例如，這可能會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。