Используя новую методику сканирующей электронной микроскопии, исследователи получили возможность наблюдать за движением носителей заряда в полупроводниковом гетеропереходе. Это позволило впервые зафиксировать процессы, которые ранее предсказывались теоретическими моделями полупроводников.
Солнечные батареи функционируют благодаря генерации фотозарядов под воздействием солнечного излучения: свет, попадая на полупроводниковый материал, передает фотонам электронам энергию, что приводит к их возбуждению и движению. Перемещение электронов и отделение от положительно заряженных «дырок» приводит к формированию электрического тока, который может использоваться для питания электронных устройств.
Фотоэлектроны в полупроводнике очень быстро, за триллионные доли секунды, рассеивают большую часть своей энергии. В результате фотоэлементы вырабатывают лишь часть энергии, заключенной в зарядах в их первоначальном, «горячем» состоянии, поскольку до «охлаждения» – потери избыточной энергии в виде тепла – она теряется.
Чтобы понять поведение этих «горячих» зарядов при движении, исследователям необходимо изучать их взаимодействие с различными полупроводниковыми материалами, в особенности — с границами между ними, так называемыми гетеропереходами. Гетеропереходы в полупроводниковых устройствах используют везде, от лазеров до сенсоров.
На этот раз ученые сосредоточились на гетеропереходе между кремнием и германием, часто используемым в полупроводниковой электронике. Они смогли визуализировать перенос зарядов через гетеропереход из одного полупроводникового материала в другой сразу после генерации.
Их методика визуализации основана на применении ультрабыстрых лазерных импульсов, которые выступают в роли затвора для пучка электронов. Этот пучок сканирует поверхность материала, создавая «горячие» фотозаряды. Каждый лазерный импульс позволяет получить два изображения исследуемого образца, а микроскоп способен создавать до триллиона изображений в секунду, которые впоследствии могут быть объединены в видео.
Возбуждение зарядов в однородных областях кремния или германия приводит к быстрому перемещению «горячих» зарядов. Однако, при возбуждении заряда вблизи гетероперехода, часть зарядов будет захвачена, что замедлит изменение потенциала границы. Захват «горячих» зарядов приводит к уменьшению их подвижности, что может оказать неблагоприятное воздействие на работу устройства, содержащего гетеропереход.
Процесс накопления зарядов на границе раздела кремния и германия можно объяснить теорией полупроводников, но прямое экспериментальное наблюдение оказалось неожиданностью для ученых. Наблюдение этого явления может стать важной деталью для проектирования полупроводниковых устройств.
Практическая визуализация этого процесса даст ученым, изучающим полупроводниковые материалы, возможность проверять выдвинутые ими теории и подтверждать результаты непрямых измерений.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.