연구원들은 두 반도체 재료의 인터페이스를 가로질러 이동하는 광여기 전하의 최초 시각화를 만들어냈습니다.

UC 산타바바라 연구원들은 두 개의 서로 다른 반도체 재료의 인터페이스를 가로질러 이동하는 전하의 "영화"를 최초로 달성했습니다. Bolin Liao 연구실에서 개발된 스캐닝 초고속 전자(SUEM) 기술을 사용하여 연구팀은 처음으로 덧없는 현상을 직접 시각화했습니다.

기계공학과 조교수인 리아오는 "반도체 이론에서 이 과정에 대해 쓰인 교과서가 많이 있습니다."라고 말했습니다. "간접 측정이 많이 있습니다." 이 과정이 실제로 어떻게 일어나는지 시각화할 수 있는 능력은 반도체 재료 과학자들이 이러한 이론과 간접 측정 중 일부를 벤치마킹할 수 있게 해줄 것이라고 그는 덧붙였습니다.

해당 연구는 미국 국립과학원 회보 에 게재되었습니다.

'핫' 포토캐리어

태양 전지를 사용해 본 적이 있다면 광전송체가 작동하는 것을 보았을 것입니다. 햇빛이 반도체 소재에 닿으면 소재의 전자가 여기되고 전자가 움직입니다. 전자의 이러한 움직임과 반대 전하를 띤 '홀'과의 분리는 전자 장치에 전력을 공급하는 데 활용할 수 있는 전류를 생성합니다.

그러나 이러한 광 캐리어는 피코초(조분의 1초) 이내에 대부분의 에너지를 잃기 때문에 기존 태양광 전지가 수확하는 에너지는 이러한 캐리어가 냉각되어 대부분의 과잉 에너지를 폐열로 방출하기 전의 "뜨거운" 상태에서 가지고 있는 에너지의 일부에 불과합니다. 뜨거운 상태는 에너지 효율성과 같은 많은 잠재력을 가지고 있지만, 반도체 재료 내에서 장치 성능에 영향을 줄 수 있는 열과 같은 과제도 제기합니다.

결과적으로, 이러한 핫 캐리어가 다른 반도체 재료를 통과할 때 어떻게 동작하는지, 특히 두 가지 다른 재료의 인터페이스인 헤테로접합부를 통과할 때 어떻게 동작하는지에 대한 좋은 아이디어를 얻는 것이 중요합니다. 반도체 재료의 영역에서 헤테로접합부는 레이저 생성에서 태양광 발전, 센서, 광촉매에 이르기까지 다양한 목적으로 전하 캐리어의 이동에 영향을 미칩니다.

이러한 핫 캐리어를 시각화하기 위해 리아오와 그의 연구진은 UCLA의 공동 연구자들이 제조한 실리콘과 게르마늄의 이종접합부에 SUEM을 집중시켰습니다. 이는 태양광 발전과 통신 분야에서 유망한 일반적인 반도체 소재의 조합입니다.

리아오는 "기본적으로 우리는 전자현미경에 시간 분해능을 추가하려고 노력하고 있습니다."라고 말했습니다.

그들의 이미징 기술의 핵심은 초고속 레이저 펄스를 사용하여 피코초 규모의 셔터 역할을 하는 것입니다. 전자 빔을 발사하여 뜨거운 광 캐리어가 이동하는 재료 표면을 스캔하고, 광학 펌프 빔으로 여기시킵니다. "우리가 말하는 것은 이 피코초에서 나노초 시간 창 내에서 일어나는 사건입니다." 리아오가 말했습니다.

"이 작업에서 정말 흥미로운 점은 생성된 전하가 실제로 접합을 가로질러 어떻게 이동하는지 시각화할 수 있었다는 것입니다." 그는 계속해서 말했습니다. 결과 이미지는 이러한 광 캐리어가 한 반도체 재료에서 다른 반도체 재료로 확산되는 모습을 보여줍니다.

"균일한 실리콘이나 게르마늄 영역에서 전하를 여기시키면 핫 캐리어가 매우 매우 빠르게 움직입니다. 고온 때문에 처음에는 속도가 매우 빠릅니다." 리아오가 설명했습니다. "하지만 접합부 근처에서 전하를 여기시키면 캐리어의 일부가 실제로 접합부 전위에 갇히게 되어 속도가 느려집니다." 갇힌 핫 전하는 캐리어 이동성을 감소시켜 이러한 핫 전하를 분리하고 수집하는 장치의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

리아오는 Si/Ge 헤테로접합부에서의 이러한 전하 트래핑은 반도체 이론으로 이해할 수 있지만, 실험적으로 직접 관찰하는 것은 여전히 ​​놀라운 일이라고 언급했습니다. 그는 "이 효과를 직접 이미지화할 수 있을 것이라고는 예상하지 못했습니다."라고 말하며, 이 현상은 반도체 장치 설계자들이 해결하고 싶어할 만한 것일 수 있다고 덧붙였습니다. "이 논문은 실제로 SUEM이 예를 들어 현실적인 장치를 연구할 수 있는 능력을 보여주는 것입니다."

이 헤테로접합에서 실제로 뜨거운 광 캐리어 활동을 볼 수 있는 이 새로운 능력은 UC 산타바바라의 반도체 연구에서 한 바퀴를 완성합니다. 1957년에 반도체의 헤테로 구조 개념을 처음 제안하고 "인터페이스가 장치다"라고 주장한 UCSB 공학 교수인 고 허브 크로머가 개척한 이 개념은 현대 마이크로칩, 컴퓨터 및 정보 기술의 기반이 되었습니다. 크로머는 "고속 및 광전자에 사용되는 반도체 헤테로 구조를 개발한 공로"로 2000년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241010205909.htm