Des électrons chauds à longue durée de vie repérés dans un semi-conducteur "merveilleux"

En combinant la microscopie électronique à balayage avec des impulsions laser ultracourtes, des chercheurs américains ont montré que l'arséniure de bore cubique possède une propriété importante qui pourrait être utilisée pour créer de meilleures cellules solaires et photodétecteurs. Oussama Choudhry et des collègues de l'Université de Californie à Santa Barbara et de l'Université de Houston ont utilisé la microscopie électronique ultrarapide à balayage (SUEM) pour confirmer que les électrons « chauds » dans le matériau semi-conducteur ont une longue durée de vie, ce qui pourrait être utile dans un large éventail d'applications. en électronique.

Parfois surnommé «matériau miracle», l'arséniure de bore cubique est un matériau semi-conducteur doté de plusieurs propriétés prometteuses qui pourraient conduire à son utilisation commerciale à grande échelle. C'est un bien meilleur conducteur de chaleur que le silicium, il pourrait donc être utilisé pour créer des circuits intégrés qui sont emballés ensemble à des densités plus élevées et fonctionnent à des fréquences plus élevées. Le matériau a une mobilité électronique comparable à celle du silicium, mais il a une mobilité des trous beaucoup plus élevée que le silicium – une propriété qui serait utile dans la conception d'appareils électroniques.

Maintenant, Choudhry et ses collègues ont montré que l'arséniure de bore cubique a une autre propriété utile : les électrons « chauds » à longue durée de vie. Lorsque la lumière tombe sur un semi-conducteur, elle peut provoquer l'excitation d'électrons avec une gamme d'énergies. Les électrons de faible énergie peuvent persister suffisamment longtemps pour pouvoir être collectés pour créer un courant électrique - qui est à la base des cellules solaires et des détecteurs de lumière. Cependant, dans la plupart des semi-conducteurs, les électrons chauds à haute énergie ont des durées de vie très courtes et sont donc perdus avant de pouvoir être collectés.

Électrons chauds à longue durée de vie

Les calculs effectués en 2017 ont suggéré que les électrons chauds ont des durées de vie relativement longues dans l'arséniure de bore cubique. Cependant, les limites de la fabrication et de l'étude des cristaux d'arséniure de bore cubique avaient rendu difficile la confirmation de cette prédiction.

Dans leur étude, l'équipe de Choudhry a utilisé SUEM, qui combine la résolution temporelle des impulsions laser ultracourtes avec la résolution spatiale de la microscopie électronique à balayage. La technique consiste à diviser l'impulsion laser en deux parties. La première partie de l'impulsion est utilisée pour exciter des électrons chauds dans un échantillon de haute qualité d'arséniure de bore cubique fabriqué par l'équipe de Houston. Après un délai soigneusement contrôlé, la deuxième partie de l'impulsion est focalisée sur une photocathode. Cela génère une impulsion électronique qui ne dure que quelques picosecondes. Cette impulsion est utilisée par un microscope électronique pour caractériser les électrons dans l'arséniure de bore cubique.

En modifiant le délai, l'équipe a pu mesurer la durée de vie des électrons rapides dans l'échantillon, révélant qu'ils persistent pendant plus de 200 ps, ​​ce qui est bien plus long que les porteurs de charge chauds dans la plupart des semi-conducteurs utilisés dans les cellules solaires. Les chercheurs disent que la longue durée de vie suggère que l'arséniure de bore cubique pourrait être utilisé pour fabriquer de meilleures cellules solaires, mais beaucoup plus de travail est nécessaire pour améliorer les techniques de fabrication.

La recherche est décrite dans Matière.