11.03.2022 - Pacific Northwest National Laboratory

Sorprendentes propiedades de los semiconductores reveladas con un nuevo e innovador método

Un descubrimiento revela el papel de las impurezas de oxígeno en las propiedades de los semiconductores

Un equipo de investigación que sondea las propiedades de un semiconductor combinado con una novedosa y fina película de óxido ha observado una nueva y sorprendente fuente de conductividad procedente de los átomos de oxígeno atrapados en su interior.

Scott Chambers, científico de materiales del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, informó del descubrimiento del equipo en la reunión de primavera de 2022 de la Sociedad Americana de Física. El hallazgo de la investigación se describe en detalle en la revista Physical Review Materials.

El descubrimiento tiene amplias implicaciones para comprender el papel de las películas finas de óxido en el diseño y la fabricación de semiconductores en el futuro. En concreto, los semiconductores utilizados en la electrónica moderna se presentan en dos tipos básicos -de tipo n y de tipo p- en función de la impureza electrónica añadida durante el crecimiento del cristal. Los dispositivos electrónicos modernos utilizan materiales de tipo n y p basados en el silicio. Pero existe un interés constante por desarrollar otros tipos de semiconductores. Chambers y su equipo estaban probando el germanio en combinación con una fina película cristalina especializada de óxido de lantano-estroncio-circonio-titanio (LSZTO).

"Estamos informando sobre una poderosa herramienta para sondear la estructura y la función de los semiconductores", dijo Chambers. "La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X duros reveló en este caso que los átomos de oxígeno, una impureza del germanio, dominan las propiedades del sistema material cuando el germanio se une a un material de óxido concreto. Esto fue una gran sorpresa".

Utilizando la Fuente de Luz de Diamante del Campus de Ciencia e Innovación de Harwell, en Oxfordshire (Inglaterra), el equipo de investigación descubrió que podía aprender mucho más sobre las propiedades electrónicas del sistema germanio/LSZTO de lo que era posible con los métodos típicos.

"Cuando intentamos sondear el material con las técnicas convencionales, la conductividad mucho mayor del germanio provocaba esencialmente un cortocircuito", explica Chambers. "Como resultado, pudimos aprender algo sobre las propiedades electrónicas del Ge, de las que ya sabemos mucho, pero nada sobre las propiedades de la película de LSZTO o la interfaz entre la película de LSZTO y el germanio, lo que sospechamos que podría ser muy interesante y posiblemente útil para la tecnología".

Un nuevo papel para los rayos X duros

Los llamados rayos X "duros" producidos por la Fuente de Luz de Diamante podían penetrar en el material y generar información sobre lo que ocurría a nivel atómico.

"Nuestros resultados se interpretaron mejor en términos de que las impurezas de oxígeno en el germanio son responsables de un efecto muy interesante", dijo Chambers. "Los átomos de oxígeno cercanos a la interfaz donan electrones a la película de LSZTO, creando agujeros, o la ausencia de electrones, en el germanio a unas pocas capas atómicas de la interfaz. Estos agujeros especializados dieron lugar a un comportamiento que eclipsó totalmente las propiedades semiconductoras del germanio de tipo n y p en las diferentes muestras que preparamos. Esto también fue una gran sorpresa".

La interfaz, donde se unen el óxido de la capa fina y el semiconductor base, es donde suelen surgir interesantes propiedades semiconductoras. El reto, según Chambers, es aprender a controlar los fascinantes y potencialmente útiles campos eléctricos que se forman en estas interfaces modificando el campo eléctrico en la superficie. Los experimentos que se están llevando a cabo en el PNNL están probando esta posibilidad.

Aunque las muestras utilizadas en esta investigación no tienen probablemente un potencial inmediato de uso comercial, se espera que las técnicas y los descubrimientos científicos realizados den sus frutos a largo plazo, dijo Chambers. Los nuevos conocimientos científicos ayudarán a los científicos y físicos de materiales a comprender mejor cómo diseñar nuevos sistemas de materiales semiconductores con propiedades útiles.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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