Halvledare är kärnan i de flesta elektroniska enheter som styr vårt dagliga liv. Den korrekta funktionen hos halvledarenheter är beroende av deras internt genererade elektriska fält. Att mäta dessa fält på nanoskala är avgörande för utvecklingen av nästa generations elektronik, men nuvarande tekniker är begränsade till mätningar av det elektriska fältet vid en halvledaryta. Takayuki Iwasaki och ett samarbete av forskare har rapporterat en ny metod för att känna av interna elektriska fält i det inre av fungerande halvledarenheter. Tekniken utnyttjar svaret från ett artificiellt infört enstaka elektronspin på variationer i dess omgivande elektriska fält, och gjorde det möjligt för forskarna att studera en halvledardiod utsatt för förspänningar på upp till 150 V.

Iwasaki och medarbetare tillämpade sin metod på diamant, en så kallad wide-band-gap-halvledare där de elektriska fälten kan bli mycket starka – en egenskap som är viktig för elektroniska applikationer med låga förluster. Diamond rymmer lätt kvävevakanscentra (NV), en typ av punktdefekt som uppstår när två angränsande kolatomer avlägsnas från diamantgittret och en av dem ersätts med en kväveatom. NV-centra kan rutinmässigt skapas i diamant med hjälp av jonimplantation. Ett närliggande elektriskt fält påverkar ett NV-centers energitillstånd, som i sin tur kan sonderas med en metod som kallas optiskt detekterad magnetisk resonans (ODMR).

Forskarna tillverkade först en diamant p-i-n-diod (ett inneboende diamantlager inklämt mellan en elektron och ett håldopat lager) inbäddad med NV-centra. De lokaliserade sedan ett NV-center i huvuddelen av i-lagret, flera hundra nanometer bort från gränssnittet, och registrerade dess ODMR-spektrum för att öka förspänningarna. Från dessa spektra, värden för det elektriska fältet kan erhållas med hjälp av teoretiska formler. De experimentella värdena jämfördes sedan med numeriska resultat erhållna med en enhetssimulator och visade sig stämma överens - vilket bekräftar potentialen hos NV-centra som lokala elektriska fältsensorer.

Iwasaki och kollegor förklarar att det experimentellt bestämda värdet för det elektriska fältet runt ett givet NV-centrum i huvudsak är fältets komponent vinkelrät mot NV-centrumets riktning – inriktat längs en av fyra möjliga riktningar i diamantgittret. De resonerar att en vanlig matris av implanterade NV-centra skulle göra det möjligt att rekonstruera det elektriska fältet med en rumslig upplösning på cirka 10 nm genom att använda superupplösningstekniker, som är lovande för att studera mer komplexa enheter i vidare studier.

Forskarna påpekar också att elektrisk fältavkänning inte bara är relevant för elektroniska enheter, men också för elektrokemiska tillämpningar:effektiviteten av elektrokemiska reaktioner som äger rum mellan en halvledare och en lösning beror på den förstnämndas inre elektriska fält. Dessutom, Iwasaki och medarbetare noterar att deras tillvägagångssätt inte behöver begränsas till NV-centra i diamant - liknande enkelelektronspinstrukturer finns i andra halvledare som kiselkarbid, till exempel.

Halvledare med bredbandsgap

Halvledande material har ett så kallat bandgap:ett energiområde där det inte finns några tillgängliga energinivåer. För att en halvledare ska leda, elektroner måste få tillräcklig energi för att övervinna bandgapet; styrning av elektroniska övergångar över bandgapet utgör grunden för verkan av halvledande anordningar. Typiska halvledare som kisel eller galliumarsenid har ett bandgap i storleksordningen 1 elektronvolt (eV). Halvledare med bredbandsgap, som diamant eller kiselkarbid, har ett större bandgap—värden så höga som 3-5 eV är inte ovanliga.

På grund av deras stora bandgap, bredbandiga halvledare kan arbeta vid temperaturer över 300 °C. Dessutom, de tål höga spänningar och strömmar. På grund av dessa egenskaper, bredbandiga halvledare har många applikationer, inklusive lysdioder, givare, alternativa energienheter och komponenter med hög effekt. För vidareutveckling av dessa och andra framtida applikationer, det är viktigt att kunna karakterisera enheter med bredbandsgap i drift. Tekniken som föreslagits av Iwasaki och kollegor för att mäta det elektriska fältet som genereras i en halvledare med bredbandsgap som utsätts för stora förspänningar är därför ett avgörande steg framåt.

Vakanscentraler för kväve

Diamant består av kolatomer arrangerade på ett gitter där varje atom har fyra grannar som bildar en tetraeder. Diamantgittret är utsatt för defekter; en sådan defekt är kvävevakanscentret (NV), vilket kan tänkas vara ett resultat av att en kolatom ersatts med en kväveatom och en närliggande kolatom avlägsnas. Energinivån i ett NV-center ligger i diamantens bandgap men är känslig för dess lokala miljö. Särskilt, den så kallade nukleära hyperfina strukturen hos ett NV-centrum beror på dess omgivande elektriska fält. Detta beroende är väl förstått teoretiskt, och utnyttjades av Iwasaki och medarbetare:att upptäcka förändringar i ett NV-centers hyperfina struktur gjorde det möjligt för dem att få värden för det lokala elektriska fältet. En stor fördel med detta tillvägagångssätt är att det tillåter övervakning av fältet inom materialet – inte bara på ytan, för vilka metoder redan hade utvecklats.

Optiskt detekterad magnetisk resonans

För att undersöka den nukleära hyperfina strukturen hos ett NV-center i huvuddelen av den diamantbaserade enheten, Iwasaki och kollegor använde optiskt detekterad magnetisk resonans (ODMR):genom att bestråla provet med laserljus, NV-centret var optiskt upphetsat, varefter det magnetiska resonansspektrumet kunde registreras. Ett elektriskt fält gör att ODMR-resonansen delas; den experimentellt detekterade delade bredden ger ett mått på det elektriska fältet.