一種研究半導(dǎo)體缺陷的新實(shí)驗(yàn)方法

在凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室（PMC*），一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功確定了與半導(dǎo)體中原子排列缺陷存在相關(guān)的自旋依賴電子結(jié)構(gòu)。這是首次測(cè)量到這種結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

研究

像所有晶體材料一樣，半導(dǎo)體由在空間中完美規(guī)則排列的原子組成。但實(shí)際上材料從未完美，即使使用最先進(jìn)的工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，半導(dǎo)體仍然存在缺陷。這些缺陷會(huì)改變材料的局部電子結(jié)構(gòu)，可能產(chǎn)生負(fù)面影響，也可能對(duì)應(yīng)用有益。這就是為什么理解它們背后的基本物理原理如此重要。這正是PMC團(tuán)隊(duì)所完成的工作，得益于阿加莎·烏利巴里在其論文期間的研究，并發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

這里討論的半導(dǎo)體是一種由鎵、砷和氮組成的合金（GaAsN）。有時(shí)，一個(gè)鎵原子不會(huì)按照通常的規(guī)則排列，而是夾在其他原子之間。這種“間隙”缺陷改變了材料中電子可以占據(jù)的能級(jí)。在半導(dǎo)體中，電子可以在能帶中流動(dòng)：價(jià)帶和更高能量的導(dǎo)帶。例如，一個(gè)獲得足夠能量的電子可以從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶，然后“回落”到價(jià)帶，以光的形式失去能量。在這兩個(gè)能帶之間，有一個(gè)禁止能量帶，稱為“能隙”，理論上電子在其中沒(méi)有能級(jí)。缺陷的存在導(dǎo)致了在能隙中出現(xiàn)電子能級(jí)。導(dǎo)帶中的電子可以通過(guò)這些能級(jí)進(jìn)行兩步復(fù)合，而不是直接回落到價(jià)帶。這種兩步過(guò)程不會(huì)發(fā)出光。

“確定這些能級(jí)的能量是至關(guān)重要的，”PMC的物理學(xué)家阿利斯泰爾·羅說(shuō)道?！袄?，如果這些能級(jí)‘深’在帶隙中，這通常對(duì)使用這些半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的設(shè)備是不利的。”在他們的科學(xué)出版物中，PMC的研究人員與澳大利亞墨爾本大學(xué)的同事合作，首次表征了GaAsN合金中這種間隙缺陷導(dǎo)致的能態(tài)。最重要的是，借助一種獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法，他們成功展示了這種電子結(jié)構(gòu)如何依賴于自旋。像電荷一樣，自旋是電子的內(nèi)在屬性，只能取兩個(gè)值。通過(guò)他們使用圓偏振光的pol-PICTS方法，從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶的電子主要具有給定的自旋，從而可以詳細(xì)研究通過(guò)能隙態(tài)的復(fù)合如何對(duì)自旋敏感。結(jié)果表明，鎵間隙缺陷在GaAsN中不僅引起一個(gè)而是三個(gè)態(tài)。它們的能量與理論預(yù)測(cè)不一致。

“這些值依賴于缺陷周圍的化學(xué)環(huán)境的確切性質(zhì)，而這種環(huán)境仍然不太了解，”阿利斯泰爾·羅解釋道。我們的數(shù)據(jù)可以為理論家提供一個(gè)基準(zhǔn)，通過(guò)將他們的計(jì)算結(jié)果與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)揭示這一環(huán)境。”

這項(xiàng)工作利用了PMC在半導(dǎo)體物理學(xué)方面的廣泛專業(yè)知識(shí)，更好地理解了這種間隙缺陷的物理特性，可能在應(yīng)用中得到利用，就像今天在金剛石中已知的其他缺陷如“NV中心”一樣。最后，pol-PICTS方法可能在探測(cè)其他材料方面非常有用。