幾十年來,研究人員對半導體材料和半導體元件進行了實驗,以充分瞭解它們的物理特性。產業人員透過確定某種材料或設備的物理極限,瞭解到使用任何給定的材料可以實現哪些性能提升,並據此規劃產品路線圖。眾所周知,大多數此類實驗都揭示了其局限性。然而,IBM在《自然(Nature)》雜誌發表的由其引導的合作項目研究卻表示,實驗結果是相反的;研究人員發現了一個與霍爾效應相關的140年的秘密,這個之前不為人所知的特性可望為改善半導體性能開闢一個新的途徑。

霍爾效應(Hall effect)

首先,讓我們回顧一下霍爾效應。半導體材料中電荷載流子(正電荷或負電荷)的基本屬性是它們在外加電場下的速度及其在材料中的密度。1879年,物理學家Edwin Hall發現了一種確定這些性質的方法。他發現磁場改變了導體內電子電荷的運動方向,偏轉量可以用霍爾電壓來測量。該電壓與標準電導率測量相結合,提供了有關電荷類型、遷移率(μ)和半導體內部密度的資訊。

20191225TA31P1 圖1 霍爾效應的佈局。為n型半導體施加電流I和垂直於表面(z軸)的磁場B,所產生的電壓差VH稱為霍爾效應

霍爾效應是指當磁場影響流經導體(或半導體)的電流時,通過導體(或半導體)的可測量電壓。由於Lorentz力和電流的平衡,產生了垂直於外加電流的橫向電壓。這種物理效應在許多解決方案中都有應用,特別是在現代家電和汽車應用領域。霍爾感測器的使用提高了可靠性和耐久性,消除了運動的機械磨損(圖1)。圖1顯示了電荷通過磁場中半導體時的情況,霍爾電壓(VH)垂直於電流方向:

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其中H是霍爾係數,如果大多數載流子是電子,則為負;如果大多數載流子是空穴,則為正。I是電流,Bz是垂直磁場,w是樣品厚度。如果存在兩個載流子,霍爾係數如下:

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其中n是電子的濃度,p是空穴的濃度,μN是電子的遷移率,μP是空穴的遷移率,q是電子的電荷。多數和少數載流子的性質,如類型、密度和遷移率,是決定半導體元件性能的基本因素。在光照下同時獲得這些資訊將可以揭示許多關鍵參數,這對光電元件和太陽能電池至關重要,但這一目標尚未明確實現。

物理學的進展

來自IBM、韓國科學技術研究所(KAIST)、韓國化學技術研究所(KRICT)和杜克大學(Duke University)的研究人員能夠利用霍爾效應,以光作為測試源,擷取這些屬性,同時獲得多數和少數載流子的密度和遷移率、載流子壽命和擴散長度等資訊。其實際應用包括新的和更快的半導體特性、性能更好的光電元件,以及可用於人工智慧(AI)技術的新材料和新元件。

「我們所取得的進步是基於對光的霍爾效應新認識,它可以用一個簡潔的方程式來概括:Δμ=d(σ2H)/dσ,自1879年發現霍爾效應以來的140年裡,這方程來一直不為人所知。這個公式表達的是關於空穴和電子的遷移率差的新資訊,有助於我們解決一個長期存在的問題,即如何同時提取半導體元件中的空穴和電子載流子資訊。我認為這是一個令人興奮的進展,因為我們現在可以更深入地研究半導體材料。」該論文的主要作者,IBM Thomas J Watson研究中心物理科學系的研究人員Oki Gunawan說。

在這個實驗中,兩個載流子都會引起電導率(σ)和霍爾係數(H)的變化,這與霍爾電壓和磁場的比值成正比。關鍵判斷在於測量電導率和霍爾係數作為光強的函數,然後通過查看σ-H圖(圖2)並分析問題,以使用新公式提取各種參數。

該研究小組稱這項新技術為載流子消散光電霍爾(CRPH)測量。該項技術需要對霍爾訊號進行精確的測量。為此,必須使用振盪磁場(AC)進行霍爾測量。在這種情況下,利用鎖定檢測技術提取與振盪磁場相同相位的訊號就顯得尤為重要。

利用IBM先前的研究成果,可以獲得單向純諧波磁場的強振盪。這項研究與磁場約束的一種新效應有關,這種效應被稱為「駝峰(camelback)」效應,它發生在超過臨界長度的兩行橫向偶極子之間(圖2和圖3)。

20191225TA31P2 圖2 (a)霍爾效應(b)載流子消散光電霍爾(CRPH)效應(c)CRPH分析。關鍵的資訊來源於測量作測量電導率和霍爾係數作為光強度的函數。隱藏在電導率-霍爾係數(σ-H)曲線的軌跡中,揭示了一個重要的新資訊:兩個載流子的遷移率差。(資料來源:Oki Gunawan/IBM Research)

20191225TA31P3 圖3 (a)駝峰場限制效應(b)平行偶極線(PDL)陷阱系統(c)IBM PDL霍爾系統。(資料來源:Oki Gunawan/IBM Research)

「利用一種叫做亥姆霍茲線圈(Helmholtz coil)的巨大線圈施加靜磁場是傳統的霍爾效應應用方式。因為它是一個巨大的電感,所以對交流磁場的產生沒有那麼有效。在本實驗中,我們使用了一種基於平行偶極線(PDL)磁阱系統的新型系統來產生交流磁場,該磁阱系統表現出一種新型的場約束效應,稱為「駝峰效應」。如圖3(a)和(b)所示。當旋轉PDL系統時,它是產生交流磁場的理想系統,因為該磁場是單向的、純諧波的,並且有足夠的空間發光(圖3c)。」Gunawan說。

IBM提出的這項新技術允許從半導體中提取大量的資訊。使用傳統霍爾測量方法只能獲取很少(三個)的參數,而這種新技術可以測量電子和空穴在不同光強下的其他參數,如遷移率、擴散長度、密度和複合壽命。本實驗的主要目的是測量不同光強下恆速振盪磁場下的霍爾訊號。

「通常情況下,我們每分鐘旋轉一次,這實際上相當慢,因為如果旋轉磁鐵太快,可能會有額外的寄生效應,如法拉第電動勢電壓,這可能會與期望獲得的霍爾效應相矛盾。真正的光電霍爾訊號是與振盪磁場具有相同頻率和相位的訊號。所以,如果用直流(靜態)磁場做這個實驗,你想要的霍爾訊號將被掩埋。所以,我們相信這也是為什麼人們在一百多年內不能解決這個問題的另一個原因,因為必須用交流磁場來獲得精確的實驗資料。」Gunawan說。

這項新的發現和技術將有助於推動半導體的發展,這要歸功於能夠詳細擷取半導體材料物理特性的知識和工具。霍爾技術已在各種應用中取代了許多傳統測量技術,包括水位測量和馬達控制。有幾種方法可用於確定位置:例如,如果應用需要一個有限和離散的位置,可以使用簡單的開關,如Allegro A1120或A321X。圖4顯示了檢測皮帶斷裂的可能電路,它利用連接至旋轉滾筒和固定霍爾開關的固定磁鐵來工作。

20191225TA31P4 圖4 霍爾感測器在電路中的應用。

馬達的電流消耗與馬達施加的轉矩成正比。因此,在微處理器中測量電流消耗是控制馬達速度和力的典型方法。微處理器可以計算是否必須向馬達施加電流以達到所需速度。霍爾效應電流感測器可以直接與馬達串聯,因為它們的電阻很低。在全球磁場感測器市場上,汽車產業一直處於領先地位,其市場份額超過40%。

(參考原文: 140-year-old secret in the Hall effect discovered,by Maurizio Di Paolo Emilio)