Les semi-conducteurs sont au cœur de la plupart des appareils électroniques qui régissent notre vie quotidienne. Le bon fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs repose sur leurs champs électriques générés en interne. La mesure de ces champs à l'échelle nanométrique est cruciale pour le développement de l'électronique de nouvelle génération, mais les techniques actuelles sont limitées aux mesures du champ électrique à la surface d'un semi-conducteur. Takayuki Iwasaki et une équipe de chercheurs ont signalé une nouvelle méthode de détection des champs électriques internes à l'intérieur des dispositifs à semi-conducteurs en fonctionnement. La technique exploite la réponse d'un spin d'électron unique introduit artificiellement aux variations de son champ électrique environnant, et a permis aux chercheurs d'étudier une diode semi-conductrice soumise à des tensions de polarisation allant jusqu'à 150 V.

Iwasaki et ses collègues ont appliqué leur méthode au diamant, un semi-conducteur à large bande interdite dans lequel les champs électriques peuvent devenir très puissants, une propriété importante pour les applications électroniques à faibles pertes. Diamond s'adapte facilement aux centres de vacance d'azote (NV), un type de défaut ponctuel qui survient lorsque deux atomes de carbone voisins sont retirés du réseau de diamants et que l'un d'eux est remplacé par un atome d'azote. Des centres NV peuvent être créés de manière routinière dans le diamant au moyen d'une implantation ionique. Un champ électrique à proximité affecte l'état énergétique d'un centre NV, qui à son tour peut être sondé par une méthode appelée résonance magnétique optiquement détectée (ODMR).

Les chercheurs ont d'abord fabriqué une diode p-i-n en diamant (une couche de diamant intrinsèque prise en sandwich entre un électron et une couche dopée par des trous) incrustée de centres NV. Ils ont ensuite localisé un centre NV dans la majeure partie de la couche i, à plusieurs centaines de nanomètres de l'interface, et a enregistré son spectre ODMR pour des tensions de polarisation croissantes. A partir de ces spectres, les valeurs du champ électrique pourraient être obtenues à l'aide de formules théoriques. Les valeurs expérimentales ont ensuite été comparées aux résultats numériques obtenus avec un simulateur de dispositif et se sont avérées être en bon accord, confirmant le potentiel des centres NV en tant que capteurs de champ électrique locaux.

Iwasaki et ses collègues expliquent que la valeur déterminée expérimentalement pour le champ électrique autour d'un centre NV donné est essentiellement la composante du champ perpendiculaire à la direction du centre NV—alignée le long de l'une des quatre directions possibles dans le réseau de diamant. Ils pensent qu'une matrice régulière de centres NV implantés devrait permettre de reconstruire le champ électrique avec une résolution spatiale d'environ 10 nm en utilisant des techniques de super-résolution, qui sont prometteurs pour étudier des dispositifs plus complexes dans d'autres études.

Les chercheurs soulignent également que la détection de champ électrique n'est pas seulement pertinente pour les appareils électroniques, mais aussi pour les applications électrochimiques :l'efficacité des réactions électrochimiques qui se déroulent entre un semi-conducteur et une solution dépend du champ électrique interne du premier. En outre, Iwasaki et ses collègues notent que leur approche n'a pas besoin d'être limitée aux centres NV dans le diamant - des structures à spin d'électron unique similaires existent dans d'autres semi-conducteurs comme le carbure de silicium, par exemple.

Semi-conducteurs à large bande interdite

Les matériaux semi-conducteurs présentent ce que l'on appelle une bande interdite :une plage d'énergie dans laquelle aucun niveau d'énergie accessible n'existe. Pour qu'un semi-conducteur conduise, les électrons doivent acquérir une énergie suffisante pour surmonter la bande interdite; le contrôle des transitions électroniques à travers la bande interdite constitue la base de l'action des dispositifs semi-conducteurs. Les semi-conducteurs typiques comme le silicium ou l'arséniure de gallium ont une bande interdite de l'ordre de 1 électron-volt (eV). Semi-conducteurs à large bande interdite, comme le diamant ou le carbure de silicium, ont une plus grande bande interdite - des valeurs aussi élevées que 3-5 eV ne sont pas rares.

En raison de leur large bande interdite, les semi-conducteurs à large bande interdite peuvent fonctionner à des températures supérieures à 300 °C. En outre, ils peuvent supporter des tensions et des courants élevés. En raison de ces propriétés, les semi-conducteurs à large bande interdite ont de nombreuses applications, y compris les diodes électroluminescentes, transducteurs, dispositifs à énergie alternative et composants haute puissance. Pour le développement ultérieur de ces applications et d'autres futures, il est essentiel de pouvoir caractériser les dispositifs à large bande interdite en fonctionnement. La technique proposée par Iwasaki et ses collègues pour mesurer le champ électrique généré dans un semi-conducteur à large bande interdite soumis à de fortes tensions de polarisation est donc un pas en avant crucial.

Centres de vacance d'azote

Le diamant est constitué d'atomes de carbone disposés sur un réseau où chaque atome a quatre voisins formant un tétraèdre. Le réseau en diamant est sujet aux défauts; un de ces défauts est le centre de manque d'azote (NV), qui peut être considéré comme résultant du remplacement d'un atome de carbone par un atome d'azote et de l'élimination d'un atome de carbone voisin. Le niveau d'énergie d'un centre NV se situe dans la bande interdite du diamant mais est sensible à son environnement local. En particulier, la structure dite hyperfine nucléaire d'un centre NV dépend de son champ électrique environnant. Cette dépendance est bien comprise théoriquement, et a été exploité par Iwasaki et ses collègues :la détection de changements dans la structure hyperfine d'un centre NV leur a permis d'obtenir des valeurs pour le champ électrique local. Un avantage majeur de cette approche est qu'elle permet de surveiller le champ à l'intérieur du matériau - pas seulement à la surface, pour lesquels des méthodes avaient déjà été développées.

Résonance magnétique détectée optiquement

Pour sonder la structure nucléaire hyperfine d'un centre NV dans la masse du dispositif à base de diamant, Iwasaki et ses collègues ont utilisé la résonance magnétique optiquement détectée (ODMR) :en irradiant l'échantillon avec une lumière laser, le centre NV était excité optiquement, après quoi le spectre de résonance magnétique pourrait être enregistré. Un champ électrique divise la résonance ODMR; la largeur de fente détectée expérimentalement fournit une mesure pour le champ électrique.