Гетеропереход - Heterojunction

Гетеропереход представляет собой интерфейс между двумя слоями или областями разнородных полупроводников . Эти полупроводниковые материалы имеют неравные запрещенные зоны в отличие от гомоперехода . Часто бывает выгодно проектировать электронные энергетические диапазоны во многих приложениях твердотельных устройств, включая полупроводниковые лазеры, солнечные элементы и транзисторы. Комбинация нескольких гетеропереходов в устройстве называется гетероструктурой., хотя эти два термина обычно используются как синонимы. Требование, чтобы каждый материал был полупроводником с неодинаковой шириной запрещенной зоны, является несколько слабым, особенно на малых масштабах длины, где электронные свойства зависят от пространственных свойств. Более современное определение гетероперехода - это граница раздела между любыми двумя твердотельными материалами, включая кристаллические и аморфные структуры металлических, изолирующих, проводящих быстрых ионов и полупроводниковых материалов.

В 2000 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Герберту Кремеру из Калифорнийского университета , Санта-Барбара , Калифорния , США, и Жоресу И. Алферову из Института Иоффе , Санкт-Петербург , Россия за «разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростных технологиях. фотография и оптоэлектроника ».

Производство и применение

Производство гетеропереходов обычно требует использования технологий молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) или химического осаждения из паровой фазы (CVD), чтобы точно контролировать толщину осаждения и создавать резкую границу раздела с чисто согласованной решеткой. Недавно исследуемой альтернативой является механическое наложение слоистых материалов в гетероструктуры Ван-дер-Ваальса .

Несмотря на свою дороговизну, гетеропереходы нашли применение во множестве специализированных приложений, где их уникальные характеристики имеют решающее значение:

Солнечные элементы : гетеропереходы обычно образуются на границе раздела кристаллической кремниевой подложки и пассивирующего слоя аморфного кремния в солнечных элементах. Гетеропереход со структурой солнечных элементов с внутренним тонким слоем (HIT) был впервые разработан в 1983 году и коммерциализирован компанией Sanyo / Panasonic . Солнечные элементы HIT теперь являются рекордсменами по наиболее эффективным однопереходным кремниевым солнечным элементам с эффективностью преобразования 26,7%.
Лазеры : использование гетеропереходов в лазерах было впервые предложено в 1963 году, когда Герберт Кремер , выдающийся ученый в этой области, предположил, что инверсия населенностей может быть значительно усилена гетероструктурами. За счет включения меньшего по размеру материала с прямой запрещенной зоной, такого как GaAs, между двумя более крупными запрещенными слоями, такими как AlAs , носители могут быть ограничены, так что генерация может происходить при комнатной температуре с низкими пороговыми токами. Материаловедению изготовления гетероструктур потребовалось много лет, чтобы догнать идеи Кремера, но теперь это стало отраслевым стандартом. Позже было обнаружено, что шириной запрещенной зоны можно управлять, используя квантовые размерные эффекты в гетероструктурах с квантовыми ямами . Кроме того, гетероструктуры могут использоваться в качестве волноводов для шага индекса, который происходит на границе раздела, что является еще одним важным преимуществом их использования в полупроводниковых лазерах. Полупроводниковые диодные лазеры, используемые в проигрывателях компакт-дисков и DVD и оптоволоконных приемопередатчиках , производятся с использованием чередующихся слоев различных полупроводниковых соединений III-V и II-VI для формирования лазерных гетероструктур.
Биполярные транзисторы : когда гетеропереход используется в качестве перехода база-эмиттер биполярного транзистора , получается чрезвычайно высокое прямое усиление и низкое обратное усиление. Это обеспечивает очень хорошую работу на высоких частотах (значения от десятков до сотен ГГц) и низкие токи утечки . Это устройство называется биполярным транзистором с гетеропереходом (HBT).
Полевые транзисторы : гетеропереходы используются в транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT), которые могут работать на значительно более высоких частотах (более 500 ГГц). Правильный профиль легирования и выравнивание зон приводят к чрезвычайно высокой подвижности электронов за счет создания двумерного электронного газа в области, свободной от примесей, где может происходить очень небольшое рассеяние .

Выравнивание энергетической полосы

Три типа полупроводниковых гетеропереходов, организованных путем выравнивания зон.

Зонная диаграмма для шахматно-щелевого полупроводникового гетероперехода n - n в состоянии равновесия.

Поведение полупроводникового перехода в решающей степени зависит от выравнивания энергетических зон на границе раздела. Полупроводниковые интерфейсы можно разделить на три типа гетеропереходов: встречный зазор (тип I), ступенчатый зазор (тип II) или разорванный зазор (тип III), как показано на рисунке. Вдали от стыка изгиб ленты можно рассчитать на основе обычной процедуры решения уравнения Пуассона .

Существуют различные модели для прогнозирования выравнивания полос.

Самая простая (и наименее точная) модель - это правило Андерсона , которое предсказывает выравнивание зон на основе свойств границ раздела вакуум-полупроводник (в частности, сродства к электрону в вакууме ). Основное ограничение - пренебрежение химическим связыванием.
Было предложено общее правило анионов, которое предполагает, что, поскольку валентная зона связана с анионными состояниями, материалы с одними и теми же анионами должны иметь очень малые смещения валентных зон. Однако это не объясняет данные, а связано с тенденцией к тому, что два материала с разными анионами имеют тенденцию иметь большие смещения валентной зоны, чем смещения зоны проводимости .
Терсофф предложил модель щелевого состояния, основанную на более привычных переходах металл-полупроводник, в которой смещение зоны проводимости определяется разницей в высоте барьера Шоттки . Эта модель включает дипольный слой на границе раздела между двумя полупроводниками, который возникает в результате туннелирования электронов из зоны проводимости одного материала в зазор другого (аналогично щелевым состояниям, индуцированным металлом ). Эта модель хорошо согласуется с системами, в которых оба материала близко согласованы по решетке, такими как GaAs / AlGaAs .
60:40 правило является эвристическим для конкретного случая переходов между GaAs и полупроводниковым полупроводником сплава Al _х Ga _{1 - х} As. Поскольку x на стороне Al _x Ga _{1− x} As изменяется от 0 до 1, отношение стремится поддерживать значение 60/40. Для сравнения, правило Андерсона предсказывает переход GaAs / AlAs ( x = 1). ${\ displaystyle \ Delta E_ {C} / \ Delta E_ {V}}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {C} / \ Delta E_ {V} = 0,73 / 0,27}$

Типичный метод измерения смещений полос - их вычисление по измерению энергий экситонов в спектрах люминесценции .

Несоответствие эффективных масс

Когда гетеропереход образован двумя разными полупроводниками , квантовая яма может быть изготовлена из-за разницы в зонной структуре . Чтобы вычислить статические уровни энергии в пределах достигнутой квантовой ямы, становится важным понимание изменения или несовпадения эффективной массы на гетеропереходе. Квантовая яма, определяемая в гетеропереходе, может рассматриваться как потенциал конечной ямы с шириной . Кроме того, в 1966 г. Conley et al. а Бен-Дэниел и Дюк сообщили о граничном условии для огибающей функции в квантовой яме, известном как граничное условие Бен-Дэниела-Дьюка. По их мнению, функция огибающей в сфабрикованном квантовой яме должна удовлетворять граничное условие , которое гласит , что и оба непрерывны в интерфейсе регионах. ${\ displaystyle l_ {w}}$ ${\ displaystyle \ psi (z)}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {m ^ {*}}} {\ partial \ over {\ partial z}} \ psi (z) \,}$

Математические детали разработаны на примере квантовой ямы .

Используя уравнение Шредингера для конечной ямы с шириной и центром в 0, уравнение для полученной квантовой ямы можно записать как: ${\ displaystyle l_ {w}}$

{\ displaystyle - {\ frac {\ hbar ^ {2}} {2m_ {b} ^ {*}}} {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ psi (z)} {\ mathrm {d } z ^ {2}}} + V \ psi (z) = E \ psi (z) \ quad \ quad {\ text {for}} z <- {\ frac {l_ {w}} {2}} \ quad \ quad (1)}

{\ displaystyle \ quad \ quad - {\ frac {\ hbar ^ {2}} {2m_ {w} ^ {*}}} {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ psi (z)} { \ mathrm {d} z ^ {2}}} = E \ psi (z) \ quad \ quad {\ text {for}} - {\ frac {l_ {w}} {2}} <z <+ {\ гидроразрыв {l_ {w}} {2}} \ quad \ quad (2)}

{\ displaystyle - {\ frac {\ hbar ^ {2}} {2m_ {b} ^ {*}}} {\ frac {\ mathrm {d} ^ {2} \ psi (z)} {\ mathrm {d } z ^ {2}}} + V \ psi (z) = E \ psi (z) \ quad {\ text {for}} z> + {\ frac {l_ {w}} {2}} \ quad \ quad (3)}

Решение приведенных выше уравнений хорошо известно, только с другими (модифицированными) k и ${\ displaystyle \ kappa}$

{\ Displaystyle к = {\ гидроразрыва {\ sqrt {2m_ {w} E}} {\ hbar}} \ quad \ quad \ kappa = {\ frac {\ sqrt {2m_ {b} (VE)}} {\ hbar }} \ quad \ quad (4)}

.

При z = решение с четностью можно получить из ${\ displaystyle + {\ frac {l_ {w}} {2}}}$

{\ Displaystyle А \ соз ({\ гидроразрыва {kl_ {w}} {2}}) = В \ ехр (- {\ гидроразрыва {\ каппа l_ {w}} {2}}) \ квад \ квад (5) }

.

Взяв производную от (5) и умножив обе части на ${\ displaystyle {\ frac {1} {м ^ {*}}}}$

{\ displaystyle - {\ frac {kA} {m_ {w} ^ {*}}} \ sin ({\ frac {kl_ {w}} {2}}) = - {\ frac {\ kappa B} {m_ {b} ^ {*}}} \ exp (- {\ frac {\ kappa l_ {w}} {2}}) \ quad \ quad (6)}

.

Разделив (6) на (5), можно получить функцию решения с четностью:

{\ displaystyle f (E) = - {\ frac {k} {m_ {w} ^ {*}}} \ tan ({\ frac {kl_ {w}} {2}}) - {\ frac {\ kappa } {m_ {b} ^ {*}}} = 0 \ quad \ quad (7)}

.

Аналогично, для решения с нечетной четностью,

{\ displaystyle f (E) = - {\ frac {k} {m_ {w} ^ {*}}} \ cot ({\ frac {kl_ {w}} {2}}) + {\ frac {\ kappa } {m_ {b} ^ {*}}} = 0 \ quad \ quad (8)}

.

Для численного решения взятие производных от (7) и (8) дает

четный паритет:

{\ displaystyle {\ frac {df} {dE}} = {\ frac {1} {m_ {w} ^ {*}}} {\ frac {dk} {dE}} \ tan ({\ frac {kl_ { w}} {2}}) + {\ frac {k} {m_ {w} ^ {*}}} \ sec ^ {2} ({\ frac {kl_ {w}} {2}}) \ times { \ frac {l_ {w}} {2}} {\ frac {dk} {dE}} - {\ frac {1} {m_ {b} ^ {*}}} {\ frac {d \ kappa} {dE }} \ quad \ quad (9-1)}

нечетная четность:

{\ displaystyle {\ frac {df} {dE}} = {\ frac {1} {m_ {w} ^ {*}}} {\ frac {dk} {dE}} \ cot ({\ frac {kl_ { w}} {2}}) - {\ frac {k} {m_ {w} ^ {*}}} \ csc ^ {2} ({\ frac {kl_ {w}} {2}}) \ times { \ frac {l_ {w}} {2}} {\ frac {dk} {dE}} + {\ frac {1} {m_ {b} ^ {*}}} {\ frac {d \ kappa} {dE }} \ quad \ quad (9-2)}

где . ${\ displaystyle {\ frac {dk} {dE}} = {\ frac {\ sqrt {2m_ {w} ^ {*}}} {2 {\ sqrt {E}} \ hbar}} \ quad \ quad \ quad {\ frac {d \ kappa} {dE}} = - {\ frac {\ sqrt {2m_ {b} ^ {*}}} {2 {\ sqrt {VE}} \ hbar}}}$

Разница в эффективной массе между материалами приводит к большей разнице в энергиях основного состояния .

Наноразмерные гетеропереходы

Изображение наноразмерного гетероперехода между оксидом железа (Fe ₃ O ₄ - сфера) и сульфидом кадмия (CdS - стержень), полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа . Это смещенное соединение с шахматным зазором (тип II) было синтезировано Хантером МакДэниелом и доктором Мунсаб Шим в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне в 2007 году.

В квантовых точках энергии зон зависят от размера кристалла из-за квантовых размерных эффектов . Это позволяет инжиниринг смещения полосы в наноразмерных гетероструктурах. Можно использовать те же материалы, но изменить тип соединения, скажем, с двухстороннего (тип I) на ступенчатый (тип II), путем изменения размера или толщины задействованных кристаллов. Наиболее распространенной системой наноразмерной гетероструктуры является ZnS на CdSe (CdSe @ ZnS), имеющая смещение поперечного зазора (тип I). В этой системе гораздо больше ширины запрещенной зоны ZnS пассивирует поверхность флуоресцентного ядра CdSe увеличивая тем самым квантовую эффективность в люминесценции . Дополнительным преимуществом является повышенная термическая стабильность за счет более прочных связей в оболочке ZnS, о чем свидетельствует большая ширина запрещенной зоны. Поскольку и CdSe, и ZnS растут в кристаллической фазе цинковой обманки и имеют близкую решетку, предпочтительным является рост ядра-оболочки. В других системах или при других условиях выращивания можно вырастить анизотропные структуры, такие как та, что видна на изображении справа.

Было показано, что движущей силой переноса заряда между зонами проводимости в этих структурах является смещение зоны проводимости. Уменьшая размер нанокристаллов CdSe, выращенных на TiO ₂ , Robel et al. обнаружили, что электроны быстрее переходят из более высокой зоны проводимости CdSe в TiO ₂ . В CdSe квантовый размерный эффект гораздо более выражен в зоне проводимости из-за меньшей эффективной массы, чем в валентной зоне, и это имеет место в большинстве полупроводников. Следовательно, проектирование смещения зоны проводимости обычно намного проще с наноразмерными гетеропереходами. Для шахматных (тип II) смещенных наноразмерных гетеропереходов может происходить фотоиндуцированное разделение зарядов, поскольку там самое низкое энергетическое состояние для дырок может быть на одной стороне перехода, тогда как самая низкая энергия для электронов находится на противоположной стороне. Было высказано предположение, что наноразмерные гетеропереходы с анизотропной шахматной щелью (тип II) могут быть использованы для фотокатализа , в частности, для расщепления воды с помощью солнечной энергии.

Смотрите также

Гомопереход , p − n-переход - переход с участием двух типов одного и того же полупроводника.
Переход металл – полупроводник - переход металла к полупроводнику.

использованная литература

дальнейшее чтение

Ублюдок, Джеральд (1991). Волновая механика в полупроводниковых гетероструктурах . Wiley-Interscience . ISBN 978-0-470-21708-5.
Фейхт, Д. Лион; Милнс, AG (1970). Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник . Нью-Йорк и Лондон : Academic Press ., ISBN 0-12-498050-3 . Несколько устаревшая ссылка на приложения, но всегда хорошее введение в основные принципы устройств с гетеропереходом.
Р. Цу; Ф. Ципман (1990). «Новые открытия в физике резонансного туннелирования». Наука о поверхности . 228 (1–3): 418. Bibcode : 1990SurSc.228..418T . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (90) 90341-5 .

Languages

In other projects