Поєднавши скануючу електронну мікроскопію з ультракороткими лазерними імпульсами, дослідники в США показали, що кубічний арсенід бору має важливу властивість, яку можна використовувати для створення кращих сонячних елементів і фотодетекторів. Усама Чоудрі і колеги з Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі та Університету Х’юстона використовували скануючу надшвидку електронну мікроскопію (SUEM), щоб підтвердити, що «гарячі» електрони в напівпровідниковому матеріалі мають тривалий термін служби — те, що може бути корисним у широкому діапазоні застосувань в електроніці.
Кубічний арсенід бору, який іноді називають «диво-матеріалом», є напівпровідниковим матеріалом із кількома перспективними властивостями, які можуть призвести до його широкого комерційного використання. Це набагато кращий провідник тепла, ніж кремній, тому його можна використовувати для створення інтегральних схем, які упаковані разом із більшою щільністю та працюють на вищих частотах. Цей матеріал має рухливість електронів, що нарівні з кремнієм, але він має набагато вищу рухливість дірок, ніж кремній – властивість, яка була б корисною при розробці електронних пристроїв.
Тепер Чоудрі та його колеги показали, що кубічний арсенід бору має ще одну корисну властивість: довгоживучі «гарячі» електрони. Коли світло падає на напівпровідник, воно може викликати збудження електронів з різними енергіями. Електрони з нижчою енергією можуть зберігатися досить довго, щоб їх можна було зібрати для створення електричного струму, який є основою для сонячних елементів і детекторів світла. Однак у більшості напівпровідників гарячі електрони з вищою енергією мають дуже короткий час життя і тому втрачаються, перш ніж їх можна зібрати.
Довгоживучі гарячі електрони
Розрахунки, проведені в 2017 році, показали, що гарячі електрони мають відносно довгий час життя в кубічному арсеніді бору. Однак обмеження у виготовленні та вивченні кубічних кристалів арсеніду бору ускладнили підтвердження цього прогнозу.
Напівпровідник-чемпіон може замінити кремній, кажуть дослідники
У своєму дослідженні команда Чоудрі використовувала SUEM, який поєднує часову роздільну здатність ультракоротких лазерних імпульсів із просторовою роздільною здатністю скануючої електронної мікроскопії. Техніка передбачає поділ лазерного імпульсу на дві частини. Перша частина імпульсу використовується для збудження гарячих електронів у високоякісному зразку кубічного арсеніду бору, виготовленому командою Х’юстона. Після ретельно контрольованої затримки друга частина імпульсу фокусується на фотокатоді. Це генерує електронний імпульс тривалістю всього кілька пікосекунд. Цей імпульс використовується електронним мікроскопом для характеристики електронів у кубічному арсеніді бору.
Змінивши затримку, команда могла виміряти час життя швидких електронів у зразку, виявивши, що вони зберігаються понад 200 пс, що набагато довше, ніж гарячі носії заряду в більшості напівпровідників, які використовуються в сонячних елементах. Дослідники кажуть, що тривалий термін служби свідчить про те, що кубічний арсенід бору може бути використаний для створення кращих сонячних елементів, але для вдосконалення технологій виготовлення потрібно ще багато роботи.
Дослідження описано в Матерія.
