Halfgeleiders vormen het hart van de meeste elektronische apparaten die ons dagelijks leven beheersen. De goede werking van halfgeleiderapparaten is afhankelijk van hun intern gegenereerde elektrische velden. Het meten van deze velden op nanoschaal is cruciaal voor de ontwikkeling van elektronica van de volgende generatie, maar de huidige technieken zijn beperkt tot metingen van het elektrische veld aan het oppervlak van een halfgeleider. Takayuki Iwasaki en een samenwerkingsverband van onderzoekers hebben een nieuwe methode gerapporteerd voor het detecteren van interne elektrische velden aan de binnenkant van werkende halfgeleiderapparaten. De techniek maakt gebruik van de reactie van een kunstmatig geïntroduceerde enkele elektronspin op variaties in het omringende elektrische veld, en stelden de onderzoekers in staat om een ​​halfgeleiderdiode te bestuderen die onderhevig is aan voorspanningen tot 150 V.

Iwasaki en collega's pasten hun methode toe op diamant, een zogenaamde wide-band-gap halfgeleider waarin de elektrische velden zeer sterk kunnen worden - een eigenschap die belangrijk is voor elektronische toepassingen met weinig verlies. Diamond herbergt gemakkelijk stikstof-leegstand (NV) centra, een type puntdefect dat ontstaat wanneer twee naburige koolstofatomen uit het diamantrooster worden verwijderd en een ervan wordt vervangen door een stikstofatoom. NV-centra kunnen routinematig in diamant worden gemaakt door middel van ionenimplantatie. Een nabijgelegen elektrisch veld beïnvloedt de energietoestand van een NV-centrum, die op zijn beurt kan worden onderzocht met een methode die optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR) wordt genoemd.

De onderzoekers fabriceerden eerst een diamant p-i-n-diode (een intrinsieke diamantlaag ingeklemd tussen een elektron en een met gaten gedoteerde laag) ingebed met NV-centra. Vervolgens lokaliseerden ze een NV-centrum in het grootste deel van de i-laag, enkele honderden nanometers verwijderd van de interface, en registreerde het ODMR-spectrum voor toenemende voorspanningen. Van deze spectra, waarden voor het elektrische veld kunnen worden verkregen met behulp van theoretische formules. De experimentele waarden werden vervolgens vergeleken met numerieke resultaten verkregen met een apparaatsimulator en bleken goed overeen te komen - wat het potentieel van NV-centra als lokale elektrische veldsensoren bevestigt.

Iwasaki en collega's leggen uit dat de experimenteel bepaalde waarde voor het elektrische veld rond een bepaald NV-centrum in wezen de component van het veld is die loodrecht staat op de richting van het NV-centrum - uitgelijnd langs een van de vier mogelijke richtingen in het diamantrooster. Ze redeneren dat een reguliere matrix van geïmplanteerde NV-centra het mogelijk zou moeten maken om het elektrische veld te reconstrueren met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 10 nm met behulp van superresolutietechnieken, die veelbelovend zijn voor het bestuderen van meer complexe apparaten in verdere studies.

De onderzoekers wijzen er ook op dat elektrische velddetectie niet alleen relevant is voor elektronische apparaten, maar ook voor elektrochemische toepassingen:de efficiëntie van elektrochemische reacties die plaatsvinden tussen een halfgeleider en een oplossing hangt af van het interne elektrische veld van de eerste. In aanvulling, Iwasaki en collega's merken op dat hun benadering niet beperkt hoeft te blijven tot NV-centra in diamant - soortgelijke structuren met enkelvoudige elektronenspin bestaan ​​in andere halfgeleiders zoals siliciumcarbide, bijvoorbeeld.

Halfgeleiders met brede bandafstand

Halfgeleidende materialen hebben een zogenaamde band gap:een energiebereik waarin geen toegankelijke energieniveaus bestaan. Om een ​​halfgeleider te laten geleiden, elektronen moeten voldoende energie krijgen om de band gap te overbruggen; het regelen van elektronische overgangen over de bandgap vormt de basis van de werking van halfgeleidende apparaten. Typische halfgeleiders zoals silicium of galliumarsenide hebben een bandafstand in de orde van 1 elektronvolt (eV). Halfgeleiders met brede bandafstand, zoals diamant of siliciumcarbide, hebben een grotere band gap-waarden zo hoog als 3-5 eV zijn niet ongewoon.

Door hun grote bandgap, wide-band-gap halfgeleiders kunnen werken bij temperaturen boven 300 ° C. In aanvulling, ze kunnen hoge spanningen en stromen aan. Door deze eigenschappen wide-band-gap halfgeleiders hebben veel toepassingen, inclusief light-emitting diodes, omvormers, apparaten met alternatieve energie en componenten met een hoog vermogen. Voor de verdere ontwikkeling van deze en andere toekomstige toepassingen, het is essentieel om breedbandige apparaten in werking te kunnen karakteriseren. De door Iwasaki en collega's voorgestelde techniek voor het meten van het elektrische veld dat wordt gegenereerd in een halfgeleider met brede bandafstand die onderhevig is aan grote voorspanningen, is daarom een ​​cruciale stap voorwaarts.

Stikstof-leegstandscentra

Diamant bestaat uit koolstofatomen die zijn gerangschikt op een rooster waar elk atoom vier buren heeft die een tetraëder vormen. Het diamantrooster is gevoelig voor defecten; zo'n defect is het stikstof-leegstand (NV) centrum, waarvan kan worden gedacht dat het het resultaat is van het vervangen van een koolstofatoom door een stikstofatoom en het verwijderen van een naburig koolstofatoom. Het energieniveau van een NV-centrum ligt in de band gap van diamant, maar is gevoelig voor zijn lokale omgeving. Vooral, de zogenaamde nucleaire hyperfijnstructuur van een NV-centrum hangt af van het omringende elektrische veld. Deze afhankelijkheid is theoretisch goed begrepen, en werd uitgebuit door Iwasaki en collega's:het detecteren van veranderingen in de hyperfijnstructuur van een NV-centrum stelde hen in staat om waarden voor het lokale elektrische veld te verkrijgen. Een groot voordeel van deze benadering is dat het het mogelijk maakt om het veld in het materiaal te volgen - niet alleen aan de oppervlakte, waarvoor al methoden waren ontwikkeld.

Optisch gedetecteerde magnetische resonantie

Voor het onderzoeken van de nucleaire hyperfijnstructuur van een NV-centrum in het grootste deel van het op diamanten gebaseerde apparaat, Iwasaki en collega's gebruikten optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR):door het monster te bestralen met laserlicht, het NV-centrum was optisch opgewonden, waarna het magnetische resonantiespectrum kon worden opgenomen. Een elektrisch veld laat de ODMR-resonantie splitsen; de experimenteel gedetecteerde spleetbreedte geeft een maat voor het elektrische veld.