Isolerande oxider är syreinnehållande föreningar som inte leder elektricitet, men kan ibland bilda ledande gränssnitt när de är lagrade ihop exakt. De ledande elektronerna vid gränssnittet bildar en tvådimensionell elektrongas (2DEG) som har exotiska kvantegenskaper som gör systemet potentiellt användbart i elektronik- och fotonikapplikationer.

Forskare vid Yale University har nu odlat ett 2DEG -system på galliumarsenid, en halvledare som effektivt absorberar och avger ljus. Denna utveckling är lovande för nya elektroniska enheter som interagerar med ljus, till exempel nya typer av transistorer, supraledande omkopplare och gassensorer.

"Jag ser detta som en byggsten för oxidelektronik, sa Lior Kornblum, nu av Technion - Israel Institute of Technology, som beskriver den nya forskningen som visas denna vecka i Journal of Applied Physics .

Oxide 2DEGs upptäcktes 2004. Forskare blev förvånade över att upptäcka att sammandragning av två lager av några isolerande oxider kan generera ledande elektroner som beter sig som en gas eller vätska nära gränssnittet mellan oxiderna och kan transportera information.

Forskare har tidigare observerat 2DEG med halvledare, men oxid 2DEG har mycket högre elektrontäthet, vilket gör dem lovande kandidater för vissa elektroniska applikationer. Oxid 2DEG har intressanta kvantegenskaper, intresse för deras grundläggande egenskaper också. Till exempel, systemen verkar uppvisa en kombination av magnetiska beteenden och supraledning.

Rent generellt, det är svårt att massproducera 2DEG-oxid eftersom endast små bitar av de nödvändiga oxidkristallerna kan erhållas, Sa Kornblum. Om, dock, forskare kan odla oxiderna på stora, kommersiellt tillgängliga halvledarskivor, de kan sedan skala upp 2DEG-oxid för verkliga applikationer. Växande oxid 2DEG på halvledare gör det också möjligt för forskare att bättre integrera strukturerna med konventionell elektronik. Enligt Kornblum, gör det möjligt för oxidelektronerna att interagera med elektronerna i halvledaren kan leda till ny funktionalitet och fler typer av enheter.

Yale -teamet odlade tidigare 2DEG -oxid på kiselskivor. I det nya arbetet, de odlade framgångsrikt 2DEG -oxid på en annan viktig halvledare, galliumarsenid, vilket visade sig vara mer utmanande.

De flesta halvledare reagerar med syre i luften och bildar ett stört ytskikt, som måste avlägsnas innan dessa oxider odlas på halvledaren. För kisel, avlägsnande är relativt enkelt - forskare värmer halvledaren i vakuum. Detta tillvägagångssätt, dock, fungerar inte bra med galliumarsenid.

Istället, forskargruppen belagde en ren yta av en galliumarsenidplatta med ett lager arsenik. Arsenik skyddade halvledarens yta från luften medan de överförde skivan till ett instrument som odlar oxider med en metod som kallas molekylär stråleepitaxi. Detta gör att ett material kan växa på ett annat samtidigt som man behåller en ordnad kristallstruktur över gränssnittet.

Nästa, forskarna värmde försiktigt skivan för att avdunsta det tunna arseniklagret, exponera den orörda halvledarytan under. De odlade sedan en oxid som heter SrTiO3 på galliumarseniden och, direkt efter, ett annat oxidskikt av GdTiO3. Denna process bildade en 2DEG mellan oxiderna.

Gallium arsenid är bara en av en hel klass av material som kallas III-V halvledare, och detta arbete öppnar en väg för att integrera oxid 2DEG med andra.

"Möjligheten att koppla ihop eller integrera dessa intressanta tvådimensionella elektrongaser med galliumarsenid öppnar vägen för enheter som kan dra nytta av halvledarens elektriska och optiska egenskaper, "Kornblum sa." Detta är ett gateway -material för andra medlemmar i denna familj av halvledare. "