A Femtosecond Electron‐Based Versatile Microscopy for Visualizing Carrier Dynamics in Semiconductors Across Spatiotemporal and Energetic Domains

半导体 飞秒 材料科学 载流子寿命 阴极发光 电子迁移率 砷化镓 显微镜 光电子学 纳米技术 激光器 光学 物理 发光
作者
Yaqing Zhang,Xiang Chen,Yaocheng Yu,Yue Huang,Minwang Qiu,Fang Liu,Min Feng,Cuiling Gao,Shibing Deng,Xuewen Fu
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
标识
DOI:10.1002/advs.202400633
摘要

Abstract Carrier dynamics detection in different dimensions (space, time, and energy) with high resolutions plays a pivotal role in the development of modern semiconductor devices, especially in low‐dimensional, high‐speed, and ultrasensitive devices. Here, a femtosecond electron‐based versatile microscopy is reported that combines scanning ultrafast electron microscopy (SUEM) imaging and time‐resolved cathodoluminescence (TRCL) detection, which allows for visualizing and decoupling different dynamic processes of carriers involved in surface and bulk in semiconductors with unprecedented spatiotemporal and energetic resolutions. The achieved spatial resolution is better than 10 nm, and the temporal resolutions for SUEM imaging and TRCL detection are ≈500 fs and ≈4.5 ps, respectively, representing state‐of‐the‐art performance. To demonstrate its unique capability, the surface and bulk carrier dynamics involved in n‐type gallium arsenide (GaAs) are directly tracked and distinguished. It is revealed, in real time and space, that hot carrier cooling, defect trapping, and interband‐/defect‐assisted radiative recombination in the energy domain result in ordinal super‐diffusion, localization, and sub‐diffusion of carriers at the surface, elucidating the crucial role of surface states on carrier dynamics. The study not only gives a comprehensive physical picture of carrier dynamics in GaAs, but also provides a powerful platform for exploring complex carrier dynamics in semiconductors for promoting their device performance.
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