Специалисты использовали новый метод сканирующей электронной микроскопии, чтобы изучать носители заряда на полупроводниковом гетеропереходе. Благодаря этому достигнута скорость наблюдения, которая позволяет регистрировать процессы, предсказанные теорией полупроводников.
Солнечные батареи работают на преобразовании солнечного излучения в электрический ток. Свет падает на полупроводниковый материал, возбуждает электроны, передавая им энергию фотонов. Движение электронов и разрыв связей с положительными «дырками» создает ток для питания электронных устройств.
Фотоэлектроны в полупроводнике теряют большую часть энергии за чрезвычайно короткий промежуток времени. В связи с этим фотоэлементы вырабатывают лишь часть энергии, которая у зарядов была в «горячем» состоянии, до того как они «охлаждаются» — теряют избыток энергии в виде тепла.
Учёным необходимо изучить поведение «горячих» зарядов при прохождении через различные полупроводниковые материалы, в частности через границу раздела — гетеропереход. В структурах на основе полупроводников гетеропереходы используют везде, от лазеров до сенсоров.
На этот раз ученые сосредоточилисьНа гетеропереходе между кремнием и германием, часто применяемом в полупроводниковой электронике, удалось визуализировать переносы зарядов через этот переход из одного полупроводника в другой непосредственно после их генерации.
Ключ к методике визуализации — использование ультрабыстрых лазерных импульсов как затвора для пучка электронов, сканирующего поверхность материала с «горячими» фотозарядами. Каждый лазерный импульс разделяет два изображения исследуемого образца, в секунду микроскоп делает до триллиона изображений, которые после можно собрать в видео.
Возбуждение зарядов в однородных областях кремния или германия приводит к быстрому движению «горячих» зарядов. Однако рядом с гетеропереходом часть зарядов захватывается и замедляет потенциал границы. Захват «горячих» зарядов снижает их подвижность, что может отрицательно сказаться на работе устройства, основанного на гетеропереходе.
Процесс поглощения зарядов на границе между кремнием и германием можно. объяснитьОткрытие теории полупроводников не было ожидаемым результатом эксперимента. Наблюдение этого феномена важно для разработки полупроводниковых приборов.
Визуализация процесса даст возможность учёным, занимающимся полупроводниковыми материалами, проверять теории и подтверждать косвенные измерения.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.