Un nuevo enfoque experimental para estudiar defectos en semiconductores

Un nuevo enfoque experimental para estudiar defectos en semiconductores
Un nuevo enfoque experimental para estudiar defectos en semiconductores
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Como todos los materiales llamados “cristalinos”, los semiconductores están formados por átomos dispuestos de forma perfectamente regular en el espacio. Pero, en la práctica, los materiales nunca son perfectos. Incluso cuando se producen a escala industrial mediante procesos bien engrasados, los semiconductores tienen defectos. Estos modifican la estructura electrónica local del material, lo que puede tener consecuencias negativas, pero a veces ser beneficioso para las aplicaciones, de ahí la importancia de comprender la física fundamental detrás de ellos. Esto es lo que acaba de hacer un equipo del PMC, gracias al trabajo realizado por Agatha Ulibarri durante su tesis y publicada en la revista Physical Review Letters.

El semiconductor en cuestión es una aleación de galio, arsénico y nitrógeno (GaAsN). Sucede que un átomo de galio no respeta la disposición regular habitual y se aloja en un hueco. Este defecto “intersticial” modifica los niveles de energía que pueden ocupar los electrones del material. En un semiconductor, los electrones pueden circular en bandas de energía: la banda de valencia y, a energías superiores, la banda de conducción. Por ejemplo, un electrón que gana suficiente energía puede pasar de la banda de valencia a la banda de conducción y posteriormente puede “regresar” a la banda de valencia, perdiendo energía en forma de luz. Entre ambas bandas existe una banda de energía prohibida, llamada “brecha”, en la que, en teoría, no hay niveles de energía disponibles para los electrones. La presencia de defectos conduce precisamente a la aparición de niveles electrónicos en el hueco. Por lo tanto, en lugar de volver a caer directamente en la banda de valencia, un electrón en la banda de conducción también tiene la posibilidad de recombinarse en dos pasos, pasando a través de estos niveles. Este proceso de dos pasos no emite luz.

“Determinar las energías de estos niveles es fundamental”, subraya Alistair Rowe, físico del PMC. Por ejemplo, si estos niveles están “profundos” en la banda prohibida, esto a menudo puede ser perjudicial para los dispositivos diseñados con estos semiconductores”. En su publicación científica, los investigadores de PMC, en colaboración con sus colegas de la Universidad de Melbourne en Australia, han caracterizado por primera vez la energía de estos estados debido a la presencia de este tipo de defecto intersticial en la aleación de GaAsN. Sobre todo, gracias a un método experimental original, consiguieron demostrar cómo esta estructura electrónica depende del espín. Al igual que la carga eléctrica, el espín es una propiedad intrínseca de los electrones, que sólo puede tomar dos valores. Con su método pol-PICTS que utiliza luz polarizada circularmente, los electrones que pasaban de la banda de valencia a la banda de conducción eran predominantemente de un espín determinado, lo que permitió estudiar con precisión cómo la recombinación a través de estados de brecha era sensible al espín. Los resultados muestran que no hay uno sino tres estados inducidos por la presencia de defectos de galio intersticial en GaAsN. Además, sus energías no están de acuerdo con las predicciones teóricas. “Estos valores dependen de la naturaleza exacta del entorno químico alrededor del defecto, que aún no se comprende bien”, explica Alistair Rowe. Nuestros datos sobre energías podrían proporcionar a los teóricos un punto de referencia para desvelar este entorno comparando los resultados de sus cálculos con nuestros experimentos. »

Este trabajo, que se basa en la gran experiencia del PMC en la física de semiconductores, permite comprender mejor la física de este defecto intersticial, lo que podría aprovecharse para aplicaciones como las que se utilizan hoy en día con otros defectos llamados. “Centros NV” en diamante. Por último, el método pol-PICTS podría resultar muy útil para sondear otros materiales.

*PMC: unidad mixta de investigación del CNRS, École Polytechnique – Institut Polytechnique de Paris

Para saber más :

Estructura de nivel profundo del centro de recombinación activo de espín en nitruros diluidos

Agatha C. Ulibarri et al., Estructura de nivel profundo del centro de recombinación activo de espín en nitruros diluidos, Physical Review Letters (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.186402

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