UC Santa Barbara、2つの半導体材料の界面を横切る光励起電荷の史上初の視覚化を作成

November, 7, 2024, Santa Barbara--UC Santa Barbaraの研究者たちは、2つの異なる半導体材料の界面を横切って移動する電荷の「動画」を初めて撮影した。Bolin Liao研究室で開発された走査型超高速電子(SUEM)技術を用いて、研究チームは初めてつかの間の現象を直接視覚化した。

「このプロセスについては、半導体理論から書かれた教科書がたくさんあり、間接的な測定もたくさんある。このプロセスが実際にどのように起こるかを視覚化する能力により、半導体材料科学者はこれらの理論の一部と間接的な測定をベンチマークできるようになる」と、機械工学の准教授Liaoはコメントしている。

研究は(Proceedings of the National Academy of Sciencesに掲載されている。

「Hot」フォトキャリア
太陽電池を使用したことがある人なら、光キャリアが動作しているのを見たことがあるはず:太陽光が半導体材料に当たり、材料内の電子を励起して移動する。この電子の動きと、その反対に帯電した「正孔」からの分離により、電子デバイスの動力源として利用できる電流が生成される。

しかし、これらの光キャリアはピコ秒(1兆分の1秒)以内にエネルギーの大部分を失うため、従来の太陽光発電が収集するエネルギーは、これらのキャリアが「ホット」状態で持っているエネルギーのほんの一部に過ぎず、冷却されて余分なエネルギーのほとんどを廃熱として放出する。その高温状態は、エネルギー効率などの面で大きな可能性を秘めているが、デバイスの性能に影響を与える可能性のある熱など、半導体材料内には課題もある。

そのため、これらのホットキャリアが異なる半導体材料を通過するときにどのように振る舞うか、特に2つの異なる材料の界面(ヘテロ接合)をどのように移動するかについて、よく理解することが重要である。半導体材料の分野では、ヘテロ接合は、レーザの作成から光起電、センサ、光触媒まで、様々な目的で電荷キャリアの動きに影響を与える。

これらのホットキャリアを視覚化するために、Liaoと同氏のグループは、UCLAの共同研究者によって製造されたシリコンとゲルマニウムのヘテロ接合、つまり太陽光発電や電気通信などの分野で有望な一般的な半導体材料の組み合わせにSUEMを集中させた。

「基本的に、われわれは電子顕微鏡に時間分解能を追加しようとしている」(Liao)。

研究チームのイメージング技術の鍵は、光ポンプビームによって励起された高温の光キャリアが移動する材料の表面をスキャンするために電子ビームを発射するとき、ピコ秒スケールのシャッターとして機能する超高速レーザパルスの使用である。「われわれが話しているのは、このピコ秒からナノ秒の時間枠内で発生するイベントである」(Liao)。

「この作業で本当にエキサイティングなのは、一度発生した電荷が実際にジャンクションを横切ってどのように移動するかを視覚化できたことです」と同氏は続けた。得られた画像は、これらの光キャリアが1つの半導体材料から別の半導体材料に拡散する様子を示している。

「均一なシリコンまたはゲルマニウム領域で電荷を励起すると、高温のキャリアは非常に速く移動する。それらは高温のため、最初は非常に高速である。しかし、ジャンクション付近で電荷を励起すると、キャリアの一部が実際にはジャンクション電位に捕らわれ、速度が低下する」とLiaoは説明した。
ホットチャージがトラップされると、キャリアの移動性が低下し、これらのホットチャージを分離して収集するデバイスの性能に悪影響を与える可能性がある。

Liaoによると、Si/Geヘテロ接合におけるこの電荷トラップは、半導体理論によって理解できるが、実験的に直接観察することは依然として印象的だった。「この効果を直接画像化できるとは思っていなかった」と同氏は言い、「この現象は半導体デバイスの設計者が対処したいと思うかもしれない」と付け加えました。「この論文は、例えば、現実的なデバイスを研究するためのSUEMの能力を実証するためのものである」

ヘテロ接合で高温の光キャリア活動を実際に見るこの新しい能力は、UC Santa Barbaraの半導体研究の輪を完成させる。半導体におけるヘテロ構造の役割を最初に提案したUCSBの工学教授である故Herb Kroemerによって開拓されたこの概念は、現代のマイクロチップ、コンピュータ、情報技術の基礎となった。Kroemerは、「高速および光エレクトロニクスで使用される半導体ヘテロ構造の開発」により、2000年のノーベル物理学賞を受賞した。