研究人员发现了电荷如何在两种不同半导体材料的边界上移动。通过采用扫描超快电子显微镜（SUEM），研究团队第一次捕捉到了这一短暂现象。
加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员成功创建了第一部描绘电荷在两种不同半导体材料界面之间旅行的“电影”。他们利用来自波林·廖实验室的扫描超快电子（SUEM）技术直接可视化了这一短暂的过程。
“许多教科书探讨了基于半导体理论的这一过程，”机械工程副教授廖表示。“虽然有许多间接测量，能够直观地看到这一过程的真实发生将使研究半导体材料的科学家能够验证一些理论和间接观察，”他补充道。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
‘热’光电载流子
如果您曾经使用过太阳能电池，您就会熟悉光电载流子的概念：阳光照射到半导体材料上，激发内部电子，使它们移动。这一运动，以及与称为“孔”的带正电荷的同伴的分离，产生了可以用于为各种电子设备供电的电流。
然而，这些光电载流子在皮秒（万亿分之一秒）内往往会失去大部分能量，这意味着传统太阳能电池所能收集的能量仅占这些载流子最初“热”能量的一小部分，之后它们会冷却并以热量的形式耗散掉大部分多余的能量。尽管它们的热态在提升能效方面有着巨大的潜力，但同时也给半导体材料带来了挑战，比如可能影响设备性能的热量。
因此，了解这些热载流子在穿越不同半导体材料时的行为至关重要，特别是在它们跨越两种不同材料的界面时——这被称为异质结。在半导体技术中，异质结在影响电荷载流子的运动中发挥着关键作用，这对于从激光到太阳能电池、传感器以及光催化等应用至关重要。
为了展示这些热载流子，廖及其同事将他们的SUEM对准了一个由洛杉矶加州大学的合作者创建的硅和锗异质结——这一常见半导体材料的组合在光伏和通信等领域展现出前景。
“我们的目标是为电子显微镜增添时间分辨率，”廖说。
他们成像方法的关键点是利用超快激光脉冲作为在皮秒尺度上工作的快门，同时发射电子束扫描这些热光电载流子旅行的表面，由光泵束触发。“我们讨论的事件发生在皮秒到纳秒的时间范围内，”廖解释道。
“这项研究特别令人兴奋的是，我们能够目睹电荷在生成后如何实际跨越结点转移，”他继续说。生成的图像说明了这些光电载流子从一种半导体材料扩散到另一种材料的过程。
“当电荷在硅或锗的均匀区域被激发时，热载流子由于温度升高表现出非常高的初始速度，”廖澄清道。“然而，如果电荷在结附近被激发，一些载流子会被结的势阱捕获，这会导致它们的运动速度减慢。”热电荷的捕获可能降低载流子的迁移率，从而潜在地妨碍设计用于分离和收集这些电荷的设备的性能。
Si/Ge异质结中电荷捕获的现象与半导体理论相符，但直接观察它是一项引人注目的发现，廖指出。“我们对能够直接成像这一效应感到惊讶，”他说，并补充说这一发现可能对半导体设备设计师有重要意义。“这篇论文主要展示了SUEM在研究现实设备中的潜力。”
这种在异质结中可视化热光电载流子动态的新能力，代表了加州大学圣塔芭芭拉分半导体研究的一项重大进展。这个基础概念由已故UCSB工程教授赫伯·克罗默提出，他在1957年首次提出了半导体异构结构的理念，著名地表示：“界面就是设备。”这一原则为今天的微芯片、计算机和信息技术奠定了基础。克罗默因发展用于高速和光电子器件的半导体异构结构而获得了2000年诺贝尔物理学奖。
