研究半导体缺陷的新实验方法

像所有所谓的“晶体”材料一样，半导体由在空间中完全规则排列的原子组成。但实际上，材料从来都不是完美的。即使在工业规模上使用润滑良好的工艺生产，半导体也存在缺陷。这些改变了材料的局部电子结构，这可能导致负面后果，但有时对应用有益，因此理解其背后的基本物理非常重要。由于阿加莎·乌利巴里（Agatha Ulibarri）在论文期间所做的工作，PMC的一个团队刚刚做到了这一点，并发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

这里讨论的半导体是镓、砷和氮（GaAsN）的合金。有时，镓原子不符合通常的规则排列，而是位于间隙中。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，电子可以在能带中循环：价带，在较高能量下，导带。例如，获得足够能量的电子可以从价带移动到导带，然后可以“回落”到价带，以光的形式失去能量。在这两个带之间有一个被称为“间隙”的禁带，理论上，电子没有可用的能级。缺陷的存在导致间隙中出现电子水平。因此，导带中的电子也有可能通过这些能级在两个步骤中重新组合，而不是直接落入价带。这个两步过程不发光

“确定这些能级的能量至关重要，”PMC的物理学家Alistair Rowe说。例如，如果这些水平在禁带内“很深”，这通常会对使用这些半导体设计的器件有害。”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，首次描述了由于GaAsN合金中存在这种间隙缺陷而产生的这些状态的能量。最重要的是，通过一种原始的实验方法，他们成功地证明了这种电子结构是如何依赖自旋的。与电荷一样，自旋是电子的固有特性，只能取两个值。通过使用圆偏振光的POL-PICTS方法，从价带到导带的电子大多具有给定的自旋，这使得通过间隙态的复合如何对自旋敏感成为可能。结果表明，GaAsN中存在间隙镓缺陷不仅导致一种状态，而且导致三种状态。此外，他们的能量与理论预测不一致。Alistair Rowe解释说：“这些值取决于缺陷周围化学环境的确切性质，目前尚不清楚。”。我们的能量数据可以为理论家提供一个参考点，通过将他们的计算结果与我们的实验进行比较来揭示这种环境。“

这项工作基于PMC在半导体物理方面的广泛专业知识，使我们能够更好地理解由于这种间隙缺陷引起的物理，这可以用于应用，就像今天钻石中称为“NV中心”的其他缺陷一样。最后，POL-PICTS方法对于探测其他材料非常有用.