Ny kombination af oxid og halvleder bygger nyt enhedspotentiale

Isolerende oxider er oxygenholdige forbindelser, der ikke leder elektricitet, men kan nogle gange danne ledende grænseflader, når de er lagdelt præcist. De ledende elektroner ved grænsefladen danner en todimensionel elektrongas (2DEG), som kan prale af eksotiske kvanteegenskaber, der gør systemet potentielt nyttigt i elektronik- og fotonikapplikationer.

Forskere ved Yale University har nu dyrket et 2DEG -system på galliumarsenid, en halvleder, der er effektiv til at absorbere og udsende lys. Denne udvikling er lovende for nye elektroniske enheder, der interagerer med lys, såsom nye former for transistorer, superledende kontakter og gassensorer.

"Jeg ser dette som en byggesten til oxidelektronik, sagde Lior Kornblum, nu af Technion - Israel Institute of Technology, der beskriver den nye forskning, der dukker op i denne uge i Journal of Applied Physics .

Oxid 2DEG'er blev opdaget i 2004. Forskere blev overraskede over at opdage, at sammenlægning af to lag af nogle isolerende oxider kan generere ledende elektroner, der opfører sig som en gas eller væske nær grænsefladen mellem oxiderne og kan transportere information.

Forskere har tidligere observeret 2DEG'er med halvledere, men oxid 2DEG har meget højere elektrontætheder, gør dem lovende kandidater til nogle elektroniske applikationer. Oxid 2DEG'er har interessante kvanteegenskaber, også tiltrække interesse for deres grundlæggende egenskaber. For eksempel, systemerne synes at udvise en kombination af magnetisk adfærd og superledning.

Generelt, det er svært at masseproducere 2DEG-oxid, fordi der kun kan opnås små stykker af de nødvendige oxidkrystaller, Sagde Kornblum. Hvis, imidlertid, forskere kan dyrke oxiderne på store, kommercielt tilgængelige halvlederplader, de kan derefter opskalere oxid 2DEG'er til virkelige applikationer. Voksende oxid 2DEG'er på halvledere giver også forskere mulighed for bedre at integrere strukturerne med konventionel elektronik. Ifølge Kornblum, gør det muligt for oxidelektronerne at interagere med elektronerne i halvlederen kan føre til ny funktionalitet og flere typer enheder.

Yale -teamet dyrkede tidligere 2DEG -oxid på siliciumskiver. I det nye værk, de voksede med succes 2DEG -oxid på en anden vigtig halvleder, gallium arsenid, hvilket viste sig at være mere udfordrende.

De fleste halvledere reagerer med ilt i luften og danner et uordent overfladelag, som skal fjernes før dyrkning af disse oxider på halvlederen. Til silicium, fjernelse er relativt let - forskere opvarmer halvlederen i vakuum. Denne tilgang, imidlertid, fungerer ikke godt med galliumarsenid.

I stedet, forskergruppen belagt en ren overflade af en galliumarsenidskive med et lag arsen. Arsenen beskyttede halvlederens overflade fra luften, mens de overførte skiven til et instrument, der dyrker oxider ved hjælp af en metode kaldet molekylær stråleepitaksi. Dette gør det muligt for et materiale at vokse på et andet, samtidig med at det bevarer en ordnet krystalstruktur på tværs af grænsefladen.

Næste, forskerne opvarmede forsigtigt skiven for at fordampe det tynde arsenlag, afslører den uberørte halvlederoverflade nedenunder. De dyrkede derefter et oxid kaldet SrTiO3 på galliumarsenidet og, umiddelbart efter, endnu et oxidlag af GdTiO3. Denne proces dannede en 2DEG mellem oxiderne.

Gallium arsenid er kun et af en hel klasse materialer kaldet III-V halvledere, og dette arbejde åbner en vej til at integrere oxid 2DEG'er med andre.

"Evnen til at koble eller integrere disse interessante oxid todimensionale elektrongasser med galliumarsenid åbner vejen for enheder, der kan drage fordel af halvlederens elektriske og optiske egenskaber, "Sagde Kornblum." Dette er et gateway -materiale til andre medlemmer af denne halvlederfamilie. "