加州大学圣巴巴拉分校的研究人员首次制作出电荷穿越两种不同半导体材料界面的“电影”。利用廖博林实验室开发的扫描超快电子(SUEM)技术，研究团队首次直接可视化了这种瞬时现象。

首次可视化显示光激发电荷穿过两种半导体材料界面

“很多教科书都是从半导体理论的角度来描述这一过程的，”机械工程副教授廖说。“有很多间接测量。”他补充说，能够直观地看到这一过程的实际发生方式将使半导体材料科学家能够对其中一些理论和间接测量进行基准测试。

“热门”光载体

如果您曾经使用过太阳能电池，那么您就会看到光载流子的作用：阳光照射到半导体材料上，激发材料中的电子，电子会移动。电子的这种移动以及与带相反电荷的“空穴”的分离会产生电流，可用于为电子设备供电。

然而，这些光载流子在皮秒(万亿分之一秒)内就会损失大部分能量，因此传统光伏电池所收获的能量只是这些光载流子在“热”状态下所拥有能量的一小部分，之后它们会冷却下来，并将大部分多余的能量以废热的形式释放出来。

虽然它们的热状态在能源效率等方面具有很大的潜力，但它也给半导体材料带来了挑战，例如可能影响设备性能的热量。

因此，了解这些热载流子在不同半导体材料中移动时的行为非常重要，尤其是它们如何穿过两种不同材料的界面——异质结。在半导体材料领域，异质结影响电荷载流子的运动，用于各种目的，从产生激光到光伏、传感器到光催化。

为了将这些热载流子形象化，廖和他的团队将他们的SUEM重点放在加州大学洛杉矶分校的合作者制造的硅和锗异质结上，这是常见半导体材料的组合，在光伏和电信等领域很有前景。

“基本上，我们正在尝试增加电子显微镜的时间分辨率，”廖说。

他们的成像技术的关键是利用超快激光脉冲作为皮秒级快门，发射电子束扫描材料表面，热光载流子在光泵光束的激发下穿过这些材料。“我们讨论的是在这个皮秒到纳秒的时间窗口内发生的事件，”廖说。

“这项工作真正令人兴奋的地方在于，我们能够直观地看到电荷一旦产生，实际上是如何穿过结点的，”他继续说道。由此产生的图像显示了这些光载流子从一种半导体材料扩散到另一种半导体材料的过程。

“如果你在均匀的硅或锗区域激发电荷，热载流子就会移动得非常非常快;由于温度高，它们最初的速度非常高，”廖解释说。

“但如果在结附近激发电荷，一小部分载流子实际上会被结电位捕获，从而减慢它们的速度。”被捕获的热电荷会导致载流子迁移率降低，这会对分离和收集这些热电荷的设备的性能产生负面影响。

廖先生指出，Si/Ge异质结中的这种电荷捕获可以通过半导体理论来理解，但通过实验直接观察到它仍然令人震惊。

“我们没想到能够直接对这种效应进行成像，”他补充说，这种现象可能是半导体器件设计师想要解决的问题。“这篇论文实际上是为了展示SUEM的能力，例如研究现实设备。”

这种能够实际观察异质结热载流子活动的新能力，使加州大学圣巴巴拉分校的半导体研究完成了一个循环。加州大学圣巴巴拉分校已故工程学教授HerbKroemer于1957年首次提出了半导体异质结构的概念，并声称“界面就是设备”，这一概念后来成为现代微芯片、计算机和信息技术的基础。

克勒默因“开发用于高速和光电子领域的半导体异质结构”而获得2000年诺贝尔物理学奖。