Kunstigt introducerede sensorer på atomniveau muliggør målinger af anelektrisk felt inden for arbejdende halvleder

Halvledere er kernen i de fleste elektroniske enheder, der styrer vores daglige liv. Halvlederanordningers korrekte funktion afhænger af deres internt genererede elektriske felter. Måling af disse felter på nanoskala er afgørende for udviklingen af ​​næste generations elektronik, men nuværende teknikker er begrænset til målinger af det elektriske felt ved en halvlederes overflade. Takayuki Iwasaki og et samarbejde med forskere har rapporteret en ny metode til registrering af indre elektriske felter i det indre af drift af halvlederenheder. Teknikken udnytter svaret fra et kunstigt indført enkelt elektronspin på variationer i dets omgivende elektriske felt, og gjorde det muligt for forskerne at studere en halvlederdiode, der var udsat for bias -spændinger på op til 150 V.

Iwasaki og kolleger anvendte deres metode til diamanter, en såkaldt wide-band-gap halvleder, hvor de elektriske felter kan blive meget stærke-en egenskab vigtig for elektroniske applikationer med lavt tab. Diamond rummer let nitrogen-vacancy (NV) centre, en type punktdefekt, der opstår, når to nabocarbonatomer fjernes fra diamantgitteret, og et af dem erstattes af et nitrogenatom. NV -centre kan rutinemæssigt skabes i diamant ved hjælp af ionimplantation. Et nærliggende elektrisk felt påvirker et NV -centers energitilstand, som igen kan sonderes ved en metode kaldet optisk detekteret magnetisk resonans (ODMR).

Forskerne fremstillede først en diamant p-i-n-diode (et iboende diamantlag, der er klemt mellem en elektron og et huldopet lag), der er indlejret i NV-centre. De lokaliserede derefter et NV-center i hovedparten af ​​i-laget, flere hundrede nanometer væk fra grænsefladen, og registrerede sit ODMR -spektrum til stigende bias -spændinger. Fra disse spektre, værdier for det elektriske felt kunne opnås ved hjælp af teoretiske formler. De eksperimentelle værdier blev derefter sammenlignet med numeriske resultater opnået med en enhedsimulator og fundet at være i god overensstemmelse-hvilket bekræfter potentialet for NV-centre som lokale elektriske feltsensorer.

Iwasaki og kolleger forklarer, at den eksperimentelt bestemte værdi for det elektriske felt omkring et givet NV -center i det væsentlige er feltets komponent vinkelret på NV -centerets retning - justeret langs en af ​​fire mulige retninger i diamantgitteret. De mener, at en regelmæssig matrix af implanterede NV-centre skal muliggøre rekonstruktion af det elektriske felt med en rumlig opløsning på ca. 10 nm ved hjælp af superopløsningsteknikker, som er lovende til at studere mere komplekse enheder i yderligere undersøgelser.

Forskerne påpeger også, at registrering af elektrisk felt ikke kun er relevant for elektroniske enheder, men også til elektrokemiske applikationer:effektiviteten af ​​elektrokemiske reaktioner, der finder sted mellem en halvleder og en løsning, afhænger af førstnævntes interne elektriske felt. Ud over, Iwasaki og kolleger bemærker, at deres tilgang ikke behøver at være begrænset til NV-centre i diamant-lignende single-elektron-spin-strukturer findes i andre halvledere som siliciumcarbid, for eksempel.

Halvledere med bredt båndgab

Halvledende materialer har et såkaldt båndgab:et energiområde, hvor der ikke findes tilgængelige energiniveauer. For at en halvleder kan lede, elektroner skal erhverve tilstrækkelig energi til at overvinde båndgabet; styring af elektroniske overgange på tværs af båndgabet danner grundlaget for halvledende enhedsaktion. Typiske halvledere som silicium eller galliumarsenid har et båndgab i størrelsesordenen 1 elektron volt (eV). Halvledere i bredbåndsgab, som diamant eller siliciumcarbid, har et større båndgab-værdier så høje som 3-5 eV er ikke ualmindelige.

På grund af deres store båndgab, halvleder med bredbåndsgab kan fungere ved temperaturer over 300 ° C. Ud over, de kan opretholde høje spændinger og strømme. På grund af disse egenskaber, halvleder med bredbåndsgab har mange applikationer, herunder lysdioder, transducere, alternative energienheder og komponenter med høj effekt. For yderligere udvikling af disse og andre fremtidige applikationer, det er vigtigt at kunne karakterisere wide-band-gap-enheder i drift. Teknikken foreslået af Iwasaki og kolleger til måling af det elektriske felt, der genereres i en halvbåndsgap-halvleder, der er udsat for store bias-spændinger, er derfor et afgørende skridt fremad.

Kvælstof-ledige centre

Diamant består af carbonatomer arrangeret på et gitter, hvor hvert atom har fire naboer, der danner et tetraeder. Diamantgitteret er udsat for defekter; en sådan defekt er nitrogen-ledig (NV) center, som kan tænkes at være resultatet af udskiftning af et carbonatom med et nitrogenatom og fjernelse af et nabocarbonatom. Energiniveauet i et NV -center ligger i diamantbåndgabet, men er følsomt over for det lokale miljø. I særdeleshed, den såkaldte nukleare hyperfin struktur i et NV-center afhænger af dets omgivende elektriske felt. Denne afhængighed er godt forstået teoretisk, og blev udnyttet af Iwasaki og kolleger:ved at opdage ændringer i et NV-centers hyperfine struktur gjorde det muligt for dem at opnå værdier for det lokale elektriske felt. En stor fordel ved denne tilgang er, at den gør det muligt at overvåge feltet inden for materialet - ikke kun ved overfladen, for hvilke der allerede var udviklet metoder.

Optisk detekteret magnetisk resonans

Til sondering af den nukleare hyperfin struktur af et NV-center i hovedparten af ​​den diamantbaserede enhed, Iwasaki og kolleger anvendte optisk detekteret magnetisk resonans (ODMR):ved bestråling af prøven med laserlys, NV -centret var optisk begejstret, hvorefter det magnetiske resonansspektrum kunne registreres. Et elektrisk felt gør ODMR -resonansen opdelt; den eksperimentelt detekterede splitbredde giver et mål for det elektriske felt.