Исследователи из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре впервые создали “фильм”, показывающий, как электрические заряды перемещаются через интерфейс двух различных полупроводниковых материалов. Используя методы сканирующей ультрабыстрой электронной микроскопии (SUEM), разработанные в лаборатории Болина Ляо, команда ученых впервые смогла напрямую визуализировать этот мимолетный процесс.
“Существует множество учебников, в которых описан этот процесс с точки зрения теории полупроводников”, — отметил Ляо, доцент кафедры машиностроения. “Есть много косвенных измерений”. Возможность визуализировать, как этот процесс на самом деле происходит, позволит ученым-полупроводниковедам лучше проверять эти теории и ранее проведенные исследования, добавил он.
«Горячие» фотопереносчики
Если вы когда-либо использовали солнечные батареи, вы видели фотопереносчики в действии. Когда солнечный свет попадает на полупроводниковый материал, электроны в материале возбуждаются и начинают двигаться. Это движение электронов и их отделение от противоположно заряженных “дыр” создает ток, который можно использовать для питания электронных устройств.
Однако эти фотопереносчики теряют большую часть своей энергии всего за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды), что делает энергию, которую обычные фотоэлементы могут улавливать, лишь небольшой частью той энергии, которой обладают переносчики в их “горячем” состоянии. Хотя их горячее состояние имеет большой потенциал для повышения энергоэффективности, оно также создает проблемы, такие как тепло, которое может повлиять на работу устройств.
Поэтому важно понимать, как именно эти горячие переносчики ведут себя при перемещении через различные полупроводниковые материалы, особенно когда они проходят через интерфейс двух разных материалов — гетеропереход. В полупроводниках гетеропереходы играют важную роль в таких приложениях, как создание лазеров, фотокатализ, датчики и фотоэлементы.
“Самое захватывающее в этом исследовании — то, что мы смогли визуализировать, как заряды, как только они генерируются, фактически переносятся через переход”.
Чтобы визуализировать эти горячие переносчики, Ляо и его команда использовали SUEM для исследования гетероперехода между кремнием и германем, созданного в сотрудничестве с исследователями из UCLA. Эти материалы часто используются в солнечных батареях и телекоммуникациях. Основой их метода визуализации стали ультрабыстрые лазерные импульсы, которые действовали как пикосекундный затвор, позволяя отслеживать перемещение горячих фотопереносчиков.
Заряды в действии
Полученные изображения показали, как фотопереносчики распространяются из одного полупроводника в другой. В экспериментах команда обнаружила, что, когда заряды генерируются в однородной области кремния или германия, горячие переносчики движутся очень быстро. Однако рядом с гетеропереходом часть зарядов задерживается потенциалом перехода, что замедляет их движение. Это явление может снизить эффективность работы устройств, использующих разделение и сбор этих горячих зарядов.
Эти результаты подтвердили теоретические предположения, но впервые были наблюдены непосредственно. Исследователи отмечают, что понимание этого эффекта может помочь разработчикам полупроводниковых устройств улучшить их конструкции. Новая возможность визуализировать активность фотопереносчиков завершает многолетний цикл исследований гетероструктур, начатый профессором Гербом Кромером из UCSB, который получил Нобелевскую премию по физике в 2000 году за развитие этой концепции в современных микрочипах.