Licht in halfgeleiders elektrisch manipuleren
De werking van veel gebruikte elektronische schakelingen en apparaten zoals transistoren, microprocessoren en mobiele telefoons, is gebaseerd op de stroom van elektronen door een halfgeleider ten gevolge van een aangelegde elektrische spanning. Onderzoekers in Nijmegen en Cambridge (Groot-Brittannië) hebben nu aangetoond dat de optische eigenschappen van halfgeleiders op een soortgelijke manier door een aangelegde spanning gemanipuleerd kunnen worden. Zo kan bijvoorbeeld met een spanning worden bepaald waar in een halfgeleider licht uitgezonden gaat worden, een principe dat in de toekomst gebruikt kan gaan worden voor een elektro-optische schakelaar met vele afzonderlijke kanalen. De resultaten van de experimenten verschijnen binnenkort in Science. Het artikel wordt vandaag gepubliceerd op de website van ScienceExpress. Het onderzoek kwam tot stand in een samenwerking tussen onderzoekers van de Katholieke Universiteit Nijmegen, de Stichting FOM, Toshiba Research Europe Limited (Cambridge) en de universiteit van Cambridge.
De onderzoekers hebben ontdekt dat het transport van bepaalde complexen, samengesteld uit elektronen en gaten (excitonen genaamd), gemanipuleerd kan worden door een elektrische spanning. Excitonen bepalen in belangrijke mate de optische eigenschappen van halfgeleiders, zoals de absorptie en emissie van licht, die van groot belang zijn voor opto-elektronische toepassingen. Dit onderzoek laat zien dat het transport van geladen excitonen in een bepaalde richting gestuurd kan worden met behulp van het aanleggen van een elektrische spanning.
Opgeslagen 'lichtdeeltje' elektrisch geladen maken
Wanneer licht door een halfgeleider wordt opgenomen, gaat dat gepaard met de overgang van een elektron uit een lagere, gevulde naar een hogere, lege energieband. Dit verschijnsel heet excitatie. Normaal gesproken wordt het vrijgekomen negatief geladen elektron aangetrokken door het achtergelaten positief geladen gat in de verder volle energieband. Dat leidt tot het ontstaan van een exciton. Dit kan gezien worden als een tijdelijke opslag van het geabsorbeerde lichtdeeltje. Indien het elektron terugvalt in het gat wordt er immers weer een lichtdeeltje uitgezonden. Een exciton heeft geen elektrische lading en kan dus niet door een aangelegd elektrisch veld worden beïnvloed. Door een extra elektron te koppelen aan zo'n exciton creëren de onderzoekers een nieuw negatief geladen complex, bestaande uit drie deeltjes (twee elektronen en één gat), dat in een elektrisch veld aangetrokken wordt door de positieve elektrode. Hierdoor kan ervoor gezorgd worden dat het tijdelijk opgeslagen lichtdeeltje op een andere, met elektrische velden regelbare, plaats weer wordt uitgezonden.
"Deze resultaten laten zien dat een negatief geladen exciton zich gedraagt alsof het een vrij deeltje betreft," zegt dr. Peter Christianen van de Katholieke Universiteit van Nijmegen. "De waarneming dat deze excitonen (en daarmee dus het uitzenden van licht) gestuurd kunnen worden met behulp van een elektrisch veld biedt totaal nieuwe mogelijkheden om in de toekomst licht dat halfgeleiders kunnen uitzenden te controleren met behulp van elektrische velden."
De fysica achter de experimenten
Het nieuwe effect werd experimenteel gedemonstreerd aan een transistorstructuur (zie de illustratie), waarin de concentratie van elektronen gevarieerd kan worden door een spanning aan te leggen tussen de basis enerzijds en de emitter en collectorcontacten anderzijds. De actieve laag van de transistor bestaat uit een ultradunne (30 nanometer) galliumarsenide-laag vlak onder het oppervlak van het preparaat.
Een laserbundel slaat een elektron in de actieve laag van de halfgeleider aan en er ontstaat een elektron-gatpaar. Het elektron en het gat binden zich tot een exciton, dat gezien kan worden als het halfgeleider-analogon van het waterstofatoom, d.w.z. een negatief geladen elektron gebonden door een positieve kern (in dit geval het gat). Het exciton als geheel heeft geen lading en is als zodanig ongevoelig voor een elektrisch veld dat ontstaat als er een spanning aangelegd wordt tussen de emitter en de collector van de transistor. Het uitgezonden licht, dat ontstaat als het elektron terugvalt in het gat (excitonrecombinatie), beperkt zich zo tot dat deel van het preparaat dat door de laserbundel wordt belicht.
Indien echter een kleine hoeveelheid extra elektronen in de actieve laag gebracht worden, verandert dit gedrag aanzienlijk. In dit geval bindt het door de laser geproduceerde exciton nog een extra elektron, wat resulteert in een drie-deeltjesexciton, het zogenaamde negatief geladen exciton of kortweg trion. Dit complex kan opgevat worden als het halfgeleiderequivalent van het negatieve waterstofion, H-. De onderzoekers in Nijmegen en Cambridge hebben gevonden dat de trionen, omdat ze negatief geladen zijn, gestuurd kunnen worden met behulp van een elektrisch veld, en door het preparaat kunnen lopen over afstanden van enige micrometers. Door een spanning aan te leggen tussen de emitter en de collector, wordt de emissie van licht, zoals waargenomen door een speciale optische microscoop, asymmetrisch van vorm in de richting van de positieve elektrode (de collector, zie de illustratie). De trionen bewegen tegen het elektrische veld in vanwege hun negatieve lading. Wanneer de polariteit van de aangelegde spanning omgedraaid wordt, draait ook de bewegingsrichting van de trionen om. Dit effect illustreert dat het mogelijk is om met elektrische velden het transport van optische excitaties in een halfgeleider te manipuleren.
Meer informatie bij dr. Peter Christianen, Laboratorium voor hoge magneetvelden, Katholieke Universiteit Nijmegen, telefoon: (024) 365 22 45; e-mail: peterc@sci.kun.nl of bij prof.dr.ir. J.C. Maan, Laboratorium voor hoge magneetvelden, Katholieke Universiteit Nijmegen, telefoon: (024) 365 34 22; e-mail: maan@sci.kun.nl.
De publicatie valt te lezen op de website van Science Express (http://www.sciencexpress.org).