一种研究半导体缺陷的新实验方法
在凝聚态物理实验室（PMC*），一个团队成功确定了与半导体中原子排列缺陷存在相关的自旋依赖电子结构。这是首次测量到这种结构。研究结果发表在《物理评论快报》上。
研究
像所有晶体材料一样，半导体由在空间中完美规则排列的原子组成。但实际上材料从未完美，即使使用最先进的工艺进行大规模生产，半导体仍然存在缺陷。这些缺陷会改变材料的局部电子结构，可能产生负面影响，也可能对应用有益。这就是为什么理解它们背后的基本物理原理如此重要。这正是PMC团队所完成的工作，得益于阿加莎·乌利巴里在其论文期间的研究，并发表在《物理评论快报》上。
这里讨论的半导体是一种由镓、砷和氮组成的合金（GaAsN）。有时，一个镓原子不会按照通常的规则排列，而是夹在其他原子之间。这种“间隙”缺陷改变了材料中电子可以占据的能级。在半导体中，电子可以在能带中流动：价带和更高能量的导带。例如，一个获得足够能量的电子可以从价带移动到导带，然后“回落”到价带，以光的形式失去能量。在这两个能带之间，有一个禁止能量带，称为“能隙”，理论上电子在其中没有能级。缺陷的存在导致了在能隙中出现电子能级。导带中的电子可以通过这些能级进行两步复合，而不是直接回落到价带。这种两步过程不会发出光。
“确定这些能级的能量是至关重要的，”PMC的物理学家阿利斯泰尔·罗说道。“例如，如果这些能级‘深’在带隙中，这通常对使用这些半导体设计的设备是不利的。”在他们的科学出版物中，PMC的研究人员与澳大利亚墨尔本大学的同事合作，首次表征了GaAsN合金中这种间隙缺陷导致的能态。最重要的是，借助一种独特的实验方法，他们成功展示了这种电子结构如何依赖于自旋。像电荷一样，自旋是电子的内在属性，只能取两个值。通过他们使用圆偏振光的pol-PICTS方法，从价带移动到导带的电子主要具有给定的自旋，从而可以详细研究通过能隙态的复合如何对自旋敏感。结果表明，镓间隙缺陷在GaAsN中不仅引起一个而是三个态。它们的能量与理论预测不一致。
“这些值依赖于缺陷周围的化学环境的确切性质，而这种环境仍然不太了解，”阿利斯泰尔·罗解释道。我们的数据可以为理论家提供一个基准，通过将他们的计算结果与我们的实验结果进行比较来揭示这一环境。”
这项工作利用了PMC在半导体物理学方面的广泛专业知识，更好地理解了这种间隙缺陷的物理特性，可能在应用中得到利用，就像今天在金刚石中已知的其他缺陷如“NV中心”一样。最后，pol-PICTS方法可能在探测其他材料方面非常有用。
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