Isolerende oxiden zijn zuurstofhoudende verbindingen die geen elektriciteit geleiden, maar kunnen soms geleidende interfaces vormen wanneer ze precies op elkaar zijn gelaagd. De geleidende elektronen op het grensvlak vormen een tweedimensionaal elektronengas (2DEG) met exotische kwantumeigenschappen die het systeem potentieel bruikbaar maken in elektronica en fotonica-toepassingen.

Onderzoekers van Yale University hebben nu een 2DEG-systeem ontwikkeld op galliumarsenide, een halfgeleider die efficiënt is in het absorberen en uitstralen van licht. Deze ontwikkeling is veelbelovend voor nieuwe elektronische apparaten die interageren met licht, zoals nieuwe soorten transistors, supergeleidende schakelaars en gassensoren.

"Ik zie dit als een bouwsteen voor oxide-elektronica, " zei Lior Kornblum, nu van het Technion - Israel Institute of Technology, die het nieuwe onderzoek beschrijft dat deze week in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

Oxide 2DEG's werden ontdekt in 2004. Onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat het samenvoegen van twee lagen van sommige isolerende oxiden geleidende elektronen kan genereren die zich gedragen als een gas of vloeistof in de buurt van het grensvlak tussen de oxiden en informatie kunnen transporteren.

Onderzoekers hebben eerder 2DEG's waargenomen met halfgeleiders, maar oxide 2DEG's hebben veel hogere elektronendichtheden, waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor sommige elektronische toepassingen. Oxide 2DEG's hebben interessante kwantumeigenschappen, interesse wekken in hun fundamentele eigenschappen. Bijvoorbeeld, de systemen lijken een combinatie van magnetisch gedrag en supergeleiding te vertonen.

Over het algemeen, het is moeilijk om oxide 2DEG's in massa te produceren omdat er slechts kleine stukjes van de benodigde oxidekristallen verkrijgbaar zijn, zei Kornblum. Indien, echter, onderzoekers kunnen de oxiden op grote, in de handel verkrijgbare halfgeleiderwafeltjes, ze kunnen vervolgens oxide 2DEG's opschalen voor toepassingen in de echte wereld. Door oxide 2DEG's op halfgeleiders te laten groeien, kunnen onderzoekers de structuren ook beter integreren met conventionele elektronica. Volgens Kornblum, waardoor de oxide-elektronen kunnen interageren met de elektronen in de halfgeleider, zou kunnen leiden tot nieuwe functionaliteit en meer soorten apparaten.

Het Yale-team kweekte eerder oxide 2DEG's op siliciumwafels. In het nieuwe werk ze groeiden met succes oxide 2DEG's op een andere belangrijke halfgeleider, galliumarsenide, wat uitdagender bleek te zijn.

De meeste halfgeleiders reageren met zuurstof in de lucht en vormen een ongeordende oppervlaktelaag, die moeten worden verwijderd voordat deze oxiden op de halfgeleider groeien. Voor silicium, verwijdering is relatief eenvoudig - onderzoekers verwarmen de halfgeleider in vacuüm. Deze aanpak, echter, werkt niet goed met galliumarsenide.

In plaats daarvan, het onderzoeksteam bedekte een schoon oppervlak van een galliumarsenidewafel met een laag arseen. Het arseen beschermde het oppervlak van de halfgeleider tegen de lucht terwijl ze de wafel overbrachten naar een instrument dat oxiden laat groeien met behulp van een methode die moleculaire bundelepitaxie wordt genoemd. Hierdoor kan het ene materiaal op het andere groeien terwijl een geordende kristalstructuur over het grensvlak behouden blijft.

Volgende, de onderzoekers verwarmden de wafel zachtjes om de dunne arseenlaag te verdampen, het ongerepte halfgeleideroppervlak eronder bloot te leggen. Ze groeiden toen een oxide genaamd SrTiO3 op het galliumarsenide en, onmiddellijk daarna, een andere oxidelaag van GdTiO3. Dit proces vormde een 2DEG tussen de oxiden.

Galliumarsenide is slechts een van een hele klasse materialen die III-V-halfgeleiders worden genoemd, en dit werk opent een weg om oxide 2DEG's met anderen te integreren.

"De mogelijkheid om deze interessante tweedimensionale oxide-elektronengassen te koppelen of te integreren met galliumarsenide opent de weg naar apparaten die kunnen profiteren van de elektrische en optische eigenschappen van de halfgeleider, "Zei Kornblum. "Dit is een gateway-materiaal voor andere leden van deze familie van halfgeleiders."