砷化鎵中電子反應的阿秒級測量：助力皮赫茲電子器件研究！

知識 03-15

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich ）的研究人員首次將瞬態吸收光譜法與尖端的第一性原理計算相結合，在阿秒(10-18 秒)時間尺度上，測量砷化鎵中的電子反應，並研究相關機制。

背景

砷化鎵，是一種技術上非常重要的窄帶隙半導體。相比於硅來說，砷化鎵有一些更好的電子特性，例如：高頻條件下產生的噪音較少、崩潰壓高更適合高功率場合等。因此，砷化鎵電路可以運用在行動電話、衛星通訊、微波點對點連線、雷達系統等地方。此外，砷化鎵還有一項優勢：它是直接能隙的材料，可用來發光。科學家們稱，砷化鎵有望大規模應用於半導體和太陽能相關產業。

（圖片來源：維基百科）

創新

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich ）的 Fabian Schlaepfer 以及他在物理系 Ursula Keller 團隊中同事們，首次通過將瞬態吸收光譜法與尖端的第一性原理計算相結合，在阿秒(10-18 秒)時間尺度上，測量砷化鎵中的電子反應，並研究相關機制。過去幾十年來，科學家卻只能在飛秒(10-15 秒)時間尺度上進行相關研究。對於工作在皮赫茲（1015 赫茲）頻率下的超高速光電器件來說，科學家們獲取到的認知是始料未及的。

（圖片來源：參考資料【2】）

近日，在一篇在線發表於《自然物理（Nature Physics）》雜誌的論文中，科學家們發現帶內的電子運動真起到了重要作用，因其顯著提升了躍遷到導帶上的電子數目。

技術

在砷化鎵中，電子從價帶躍遷到導帶，會生成在電子元件之間傳輸電流的電荷載體。除了這種所謂的「帶間躍遷」，隨著電子與激光發生交互作用，電荷載體也會在單個的帶內被加速。這是因為與激光相關聯的強電場引起了帶內的電子運動。然而，這兩種機制中的哪一種支配強短激光脈衝的響應，以及這種相互作用是如何影響載流子注入到導帶中，尚不得而知。

然而，瑞士蘇黎世聯邦理工學院物理學家們的這項新研究，有利於在阿托秒(10-18 秒)時間尺度上，進一步搞清楚這些問題。

價值

僅憑帶內的電子運動，無法製造出導帶內的載荷子。因此，這些研究成果代表著非常重要的進展：在阿秒時間尺度上，理解半導體中的光致電子動力學。這將推動未來電子器件與光電子器件的相關研究，這些器件的尺寸將變得更小，涉及的電場將更強，動力學將更快。