半導體是當今數字、電子時代的基本組成部分，為我們提供了大量有益於現代生活的設備，包括計算機、智能手機和其他移動設備。半導體功能和性能的提高，同樣有可能使下一代半導體應用於計算、傳感和能量轉換成為可能。
然而我們完全瞭解半導體器件和先進半導體材料內部電荷的能力仍然存在侷限性，研究人員長期以來一直試圖克服這一侷限性，否則將會限制我們推動進一步發展的能力。
由IBM領導的一項新研究，最近在《自然》雜誌上發表，讓物理學家們困惑了140年的謎題取得了令人振奮的突破，這個突破能夠讓物理學家解鎖半導體更多細節的物理特性，並且因此有望產生新一代的可應用在設備上的半導體材料。
半導體的發明對我們進入數字時代起了重要作用。你可以在你的智能手機和電腦裡找到這些攜帶電能的物質。這一領域的改進可能會對未來的電子產品產生重大影響。
為了真正理解半導體的物理原理，我們首先需要知道材料內部載流子的基本特性，即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。
1879年美國物理學家愛德華·霍爾發現了所謂的霍爾效應，用這種方法可以測量導體中的電流流動。他發現，由於磁場會使導體中電荷的運動發生偏轉，所以可以測量該偏轉量，這個數字描述了垂直於或橫向於電流的電壓。
霍爾發現霍爾效應幾十年後，現代研究人員也認識到他們可以利用光來進行霍爾效應測量，專業術語稱為光霍爾實驗，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。
IBM研究博客上的文章作者Oki Gunawan和Doug Bishop解釋說，雖然霍爾電壓提供了有關半導體中這些載流子的關鍵信息，但它僅限於占主導地位的大多數載流子的特性。研究人員無法同時提取兩種載流子(多數和少數)的特性，而弄清影響電導率變化的多數載流子和少數載流子的信息，對於許多涉及光的應用都是至關重要的，其中包括太陽能電池、led、激光器等光電子設備以及人工智能技術。
IBM主導的新研究，揭示了霍爾效應長期存在的一個秘密。由來自韓國科學技術研究院、韓國化學技術研究院、杜克大學和IBM的研究人員開發了一種獲取多數和少數載流子信息的新公式和技術。從黑暗中傳統霍爾測量得出的已知的多數載流子密度出發，隨著光強度的變化，我們可以求出多數載流子和少數載流子的遷移率和密度、載流子壽命、擴散長度和重組過程。
該團隊將這項新技術命名為載波解析光電霍爾(CRPH)測量。在已知光照強度的情況下，同樣可以相似地建立載流子壽命。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。
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研究團隊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” ，它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，它被稱為平行偶極線(PDL)阱，如圖2b所示。
PDL磁阱可以作為各種傳感器應用的新平臺，現在它對於IBM的新發現起到了促進作用，利用IBM開發的平行偶極線(PDL)陷阱工具，可以為光霍爾實驗提供理想的系統，為樣品照明分配大量的空間。
新開發的光電霍爾技術允許我們從半導體中提取數量驚人的信息。事實上，與傳統的利用霍爾效應導出的三個測量參數相比，該方法最多可以得到七個信息參數。它們包括電子和空穴的遷移率;光下載流子密度;重組壽命;以及電子、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。我們現在擁有可以提取半導體材料更多細節物理特性所需的知識和工具，這一切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能技術的新材料和器件。
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