Физики впервые засняли перемещение зарядов через границу полупроводников

Принцип действия солнечных батарей основан на генерации фотозарядов излучением солнца: свет попадает на полупроводниковый материал, возбуждает электроны — передает им энергию от фотонов, и они начинают двигаться. Движение электронов и отделение от положительно заряженных «дырок» создает тот ток, от которого можно запитать электронные устройства.

Фотоэлектроны в полупроводнике теряют большинство энергии за триллионные доли секунды, поэтому фотоэлементы генерируют лишь часть той энергии, что содержат заряды в «горячем» состоянии, до их «охлаждения» — потери лишней энергии в виде тепла.

Исследователям нужно понимать, как эти «горячие» заряды ведут себя при перемещении через разные полупроводниковые материалы, особенно через их границу — гетеропереход. В полупроводниковых устройствах гетеропереходы используют везде, от лазеров до сенсоров.

На этот раз ученые сосредоточились на гетеропереходе между кремнием и германием, часто используемым в полупроводниковой электронике. Они смогли визуализировать перенос зарядов через гетеропереход из одного полупроводникового материала в другой сразу после генерации. 

Ключ к их методике визуализации — использование ультрабыстрых лазерных импульсов как затвора для пучка электронов, сканирующего поверхность материала с «горячими» фотозарядами. Каждый лазерный импульс разделяет два изображения исследуемого образца, в секунду микроскоп делает до триллиона изображений, которые после можно собрать в видео.

Если возбудить заряды в однородных областях кремния или германия, «горячие» заряды каждой из них будут двигаться быстро. Но если возбудить заряд рядом с гетеропереходом, часть зарядов захватит и замедлит потенциал границы. Захват «горячих» зарядов снижает их подвижность, что может негативно повлиять на работу основанного на гетеропереходе устройства.

Процесс захвата зарядов на гетеропереходах кремний/германий можно объяснить теорией полупроводников, но прямое экспериментальное наблюдение оказалось неожиданностью для ученых. Наблюдение этого явления может стать важной деталью для проектирования полупроводниковых устройств.

Способность визуализировать этот процесс на практике позволит ученым, работающим с полупроводниковыми материалами, проверять свои теории и подтверждать косвенные измерения.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.