Группа исследователей, изучающая свойства полупроводника в сочетании с новым тонким оксидным листом, обнаружила неожиданный новый источник проводимости от атомов кислорода, захваченных внутри.
Скотт Чемберс, материаловед из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики, представил выводы группы на собрании Американского физического общества весной 2022 года. Результаты исследования подробно описаны в журнале Physical Review Materials.
Это открытие имеет далеко идущие последствия для понимания роли тонких оксидных пленок в разработке и производстве полупроводников будущего. В частности, полупроводники, используемые в современной электронике, делятся на два основных типа: n-типа и p-типа, в зависимости от электронной примеси, вносимой при формировании кристалла. В современных электронных устройствах используются материалы на основе кремния как n-, так и p-типа. Тем не менее, существует постоянный интерес к разработке новых типов полупроводников. Чемберс и его коллеги экспериментировали с германием в сочетании с тонким кристаллическим слоем оксида лантана-стронция-циркония-титана (LSZTO).
«Мы сообщаем о мощном инструменте для исследования структуры и функций полупроводников», — сказал Чемберс. «Жесткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия в этом случае показала, что атомы кислорода, примеси в германии, доминируют в свойствах системы материалов, когда германий соединен с определенным оксидным материалом. Это было большим сюрпризом».
Используя источник алмазного света в кампусе Harwell Science and Innovation Campus в Оксфордшире, Англия, исследовательская группа обнаружила, что может узнать гораздо больше об электронных свойствах системы германий/LSZTO, чем это было возможно при использовании обычных методов.
«Когда мы попытались исследовать материал обычными методами, гораздо более высокая проводимость германия по сути вызвала короткое замыкание», — сказал Чемберс. «В результате мы могли узнать кое-что об электронных свойствах Ge, о которых мы уже много знаем, но ничего о свойствах пленки LSZTO или границе раздела между пленкой LSZTO и германием, которые, как мы подозревали, могли быть очень интересно и, возможно, полезно для техники».
Новая роль жесткого рентгеновского излучения
Так называемые «жесткие» рентгеновские лучи, производимые Алмазным источником света, могли проникать сквозь материал и генерировать информацию о том, что происходит на атомном уровне.
«Наши результаты были лучше всего интерпретированы с точки зрения примесей кислорода в германии, ответственных за очень интересный эффект», — сказал Чемберс. «Атомы кислорода вблизи интерфейса отдают электроны пленке LSZTO, создавая дырки или отсутствие электронов в германии в пределах нескольких атомных слоев интерфейса. Эти специальные отверстия привели к поведению, которое полностью затмило полупроводниковые свойства германия как n-, так и p-типа в различных образцах, которые мы подготовили. Это тоже стало большим сюрпризом».
На границе раздела, где тонкопленочный оксид и основной полупроводник соединяются, часто проявляются интересные полупроводниковые свойства. Задача, по словам Чемберса, состоит в том, чтобы научиться управлять увлекательными и потенциально полезными электрическими полями, которые формируются на этих границах, путем изменения электрического поля на поверхности. Текущие эксперименты в PNNL исследуют эту возможность.
По словам Чемберса, хотя образцы, использованные в этом исследовании, вряд ли имеют непосредственный потенциал для коммерческого использования, ожидается, что сделанные методы и научные открытия принесут дивиденды в долгосрочной перспективе. Новые научные знания помогут материаловедам и физикам лучше понять, как разрабатывать новые системы полупроводниковых материалов с полезными свойствами.
