一種研究半導體缺陷的新實驗方法

在凝聚態(tài)物理實驗室（PMC*），一個團隊成功確定了與半導體中原子排列缺陷存在相關的自旋依賴電子結(jié)構(gòu)。這是首次測量到這種結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》上。

研究

像所有晶體材料一樣，半導體由在空間中完美規(guī)則排列的原子組成。但實際上材料從未完美，即使使用最先進的工藝進行大規(guī)模生產(chǎn)，半導體仍然存在缺陷。這些缺陷會改變材料的局部電子結(jié)構(gòu)，可能產(chǎn)生負面影響，也可能對應用有益。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團隊所完成的工作，得益于阿加莎·烏利巴里在其論文期間的研究，并發(fā)表在《物理評論快報》上。

這里討論的半導體是一種由鎵、砷和氮組成的合金（GaAsN）。有時，一個鎵原子不會按照通常的規(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。在半導體中，電子可以在能帶中流動：價帶和更高能量的導帶。例如，一個獲得足夠能量的電子可以從價帶移動到導帶，然后“回落”到價帶，以光的形式失去能量。在這兩個能帶之間，有一個禁止能量帶，稱為“能隙”，理論上電子在其中沒有能級。缺陷的存在導致了在能隙中出現(xiàn)電子能級。導帶中的電子可以通過這些能級進行兩步復合，而不是直接回落到價帶。這種兩步過程不會發(fā)出光。

“確定這些能級的能量是至關重要的，”PMC的物理學家阿利斯泰爾·羅說道。“例如，如果這些能級‘深’在帶隙中，這通常對使用這些半導體設計的設備是不利的。”在他們的科學出版物中，PMC的研究人員與澳大利亞墨爾本大學的同事合作，首次表征了GaAsN合金中這種間隙缺陷導致的能態(tài)。最重要的是，借助一種獨特的實驗方法，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，只能取兩個值。通過他們使用圓偏振光的pol-PICTS方法，從價帶移動到導帶的電子主要具有給定的自旋，從而可以詳細研究通過能隙態(tài)的復合如何對自旋敏感。結(jié)果表明，鎵間隙缺陷在GaAsN中不僅引起一個而是三個態(tài)。它們的能量與理論預測不一致。

“這些值依賴于缺陷周圍的化學環(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基準，通過將他們的計算結(jié)果與我們的實驗結(jié)果進行比較來揭示這一環(huán)境。”

這項工作利用了PMC在半導體物理學方面的廣泛專業(yè)知識，更好地理解了這種間隙缺陷的物理特性，可能在應用中得到利用，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方法可能在探測其他材料方面非常有用。