Гетеропереход

Гетеропереход представляет собой интерфейс , который происходит между двумя слоями или областями разнородных полупроводников . Эти полупроводниковые материалы имеют неравные запрещенные зоны в отличие от гомоперехода . Часто бывает выгодно создавать 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 неравной 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 г. 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 устройствах. фотография и оптоэлектроника ».

Производство и приложения [ править ]

Производство гетеропереходов обычно требует использования технологий молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) ^[1] или химического осаждения из газовой фазы (CVD), чтобы точно контролировать толщину осаждения и создать резкую границу раздела с четко согласованной решеткой. Недавно исследуемой альтернативой является механическое наложение слоистых материалов в гетероструктуры Ван-дер-Ваальса . ^[2]

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 ^[3] и коммерциализирован компанией Sanyo / Panasonic . Солнечные элементы HIT теперь являются рекордсменами по самым эффективным однопереходным кремниевым солнечным элементам с эффективностью преобразования 26,7%. ^[4]
Лазеры . Использование гетеропереходов в лазерах было впервые предложено ^[5] в 1963 году, когда Герберт Кремер , выдающийся ученый в этой области, предположил, что инверсия населенностей может быть значительно усилена гетероструктурами. Путем включения меньшего по размеру материала с прямой запрещенной зоной, такого как GaAs, между двумя большими запрещенными слоями, такими как AlAs , носители могут быть ограничены, так что генерация может происходить при комнатной температуре с низкими пороговыми токами. Прошло много лет для материаловеденияизготовления гетероструктур, чтобы догнать идеи Кремера, но теперь это промышленный стандарт. 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 , а также оптоволоконных трансиверах , производятся с использованием чередующихся слоев различных уровней III-V и II-VI. составные полупроводники 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 энергетического диапазона [ править ]

Три типа полупроводниковых гетеропереходов, организованных за счет выравнивания зон.

Зонная диаграмма для встречной щели, n - n- полупроводниковый гетеропереход 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 сломанный зазор (тип III), как показано на рисунке. ^[6] Вдали от стыка изгиб ленты можно вычислить 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 одинаковыми анионами должны иметь очень малые смещения валентных зон. Однако это не объясняет данные, а связано с тенденцией, согласно которой два материала с разными анионами имеют тенденцию иметь большие смещения валентной зоны, чем смещения зоны проводимости .
Терсофф ^[7] предложил модель щелевого состояния, основанную на более знакомых переходах металл-полупроводник, где 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 щелочным состояниям, индуцированным металлом ). Эта модель хорошо согласуется с системами, в которых оба материала имеют близкую решетку ^[8], 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). ^[9]^[10] ${\ displaystyle \ Delta E_ {C} / \ Delta E_ {V}}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {C} / \ Delta E_ {V} = 0,73 / 0,27}$

Типичный метод измерения смещений полос - их вычисление по измерению энергий экситонов в спектрах люминесценции . ^[10]

Несоответствие эффективных масс [ править ]

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 несоответствия эффективной массы на гетеропереходе. Квантовая яма, определенная в гетеропереходе, может рассматриваться как потенциал конечной ямы с шириной . Кроме того, в 1966 г. Conley et al. ^[11] и Бен-Дэниел и Дюк ^[12] сообщили о граничном условии для огибающей функции ${\ displaystyle l_ {w}}$ в квантовой яме, известной как граничное условие Бен-Даниэля – Дьюка. По их мнению, функция огибающей в сфабрикованном квантовой яме должна удовлетворять граничное условие , которое гласит , что и оба непрерывны в интерфейсе регионах. ${\ displaystyle \ psi (z)}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {м ^ {*}}} {\ partial \ over {\ partial z}} \ psi (z) \,}$

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: ${\ displaystyle l_ {w}}$

-{\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)

\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<+{\frac {l_{w}}{2}}\quad \quad (2)

-{\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 вышеуказанных уравнений хорошо известно, только с другими (модифицированными) k и ^[13] $\kappa$

k={\frac {\sqrt {2m_{w}E}}{\hbar }}\quad \quad \kappa ={\frac {\sqrt {2m_{b}(V-E)}}{\hbar }}\quad \quad (4)

.

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

A\cos({\frac {kl_{w}}{2}})=B\exp(-{\frac {\kappa l_{w}}{2}})\quad \quad (5)

.

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

-{\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:

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

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:

{\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:

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

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

Наноразмерные гетеропереходы [ править ]

Изображение наноразмерного гетероперехода между оксидом железа (Fe ₃ O ₄ - сфера) и сульфидом кадмия (CdS - стержень), полученное с помощью ПЭМ . Это смещенное соединение с шахматным зазором (тип II) было синтезировано Хантером МакДэниелом и доктором Мунсуб 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 проектировать смещение полосы в наноразмерных гетероструктурах. Можно ^[14] использовать те же материалы, но изменить тип соединения, скажем, с двухстороннего (тип I) на шахматный (тип II), путем изменения размера или толщины задействованных кристаллов. Наиболее распространенной системой наноразмерной гетероструктуры является ZnS на CdSe (CdSe @ ZnS), которая имеет смещение поперечного зазора (тип I). В этой системе значительно большая запрещенная зона ZnS пассивирует поверхность флуоресцентного ядра CdSe, тем самым увеличивая квантовую эффективность.от люминесценции . Дополнительным преимуществом является повышенная термическая стабильность благодаря более прочным связям 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 выращивать анизотропные структуры, такие как та, что видна на изображении справа.

Было показано ^[15], 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. ^[15] 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 помощью наноразмерных гетеропереходов. 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 наименьшая энергия для электронов находится на противоположной стороне. Было высказано предположение ^[15], что наноразмерные гетеропереходы с анизотропной шахматной щелью (тип II) могут быть использованы для фотокатализа , в частности, для расщепления воды. с солнечной энергией.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

^ Смит, CG (1996). «Низкоразмерные квантовые устройства». Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 235282, стр. 244.
^ Гейм, AK; Григорьева И.В. (2013). «Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса». Природа . 499 (7459): 419–425. arXiv : 1307,6718 . DOI : 10,1038 / природа12385 . ISSN 0028-0836 . PMID 23887427 . S2CID 205234832 .
^ Окуда, Кодзи; Окамото, Хироаки; Хамакава, Ёсихиро (1983). «Многослойный солнечный элемент из аморфного кремния и поликристаллического кремния с эффективностью преобразования более 12%». Японский журнал прикладной физики . 22 (9): L605 – L607. DOI : 10,1143 / JJAP.22.L605 .
↑ Ямамото, Кендзи; Йошикава, Кунта; Узу, Хисаши; Адачи, Дайсуке (2018). «Высокоэффективные солнечные элементы из кристаллического кремния с гетеропереходом». Японский журнал прикладной физики . 57 (8S3): 08RB20. DOI : 10,7567 / JJAP.57.08RB20 .
^ Кремер, Н. (1963). «Предлагаемый класс инжекционных лазеров на гетеропереходах». Труды IEEE . 51 (12): 1782–1783. DOI : 10.1109 / PROC.1963.2706 .
^ Ин, Томас (2010). «гл. 5.1 Ленточная инженерия». Квантовые состояния полупроводниковых наноструктур и электронный транспорт . Соединенные Штаты Америки: Oxford University Press. С. 66 . ISBN 9780199534432.
^ J. Tersoff (1984). «Теория полупроводниковых гетеропереходов: роль квантовых диполей». Physical Review B . 30 (8): 4874–4877. Bibcode : 1984PhRvB..30.4874T . DOI : 10.1103 / PhysRevB.30.4874 .
^ Pallab, Бхаттачария (1997), Semiconductor оптоэлектронные устройства, Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7
^ Адачи, Sadao (1993-01-01). Свойства арсенида алюминия-галлия . ISBN 9780852965580.
^ a b Деббар, N .; Бисвас, Дипанкар; Бхаттачарья, Паллаб (1989). «Смещения зоны проводимости в псевдоморфных квантовых ямах InxGa1-xAs / Al0.2Ga0.8As (0,07≤x≤0,18), измеренные методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней». Physical Review B . 40 (2): 1058. Bibcode : 1989PhRvB..40.1058D . DOI : 10.1103 / PhysRevB.40.1058 . PMID 9991928 .
^ Конли, Дж .; Duke, C .; Mahan, G .; Тиманн, Дж. (1966). «Электронное туннелирование в барьерах металл-полупроводник». Физический обзор . 150 (2): 466. Bibcode : 1966PhRv..150..466C . DOI : 10.1103 / PhysRev.150.466 .
^ Bendaniel, D .; Герцог, К. (1966). «Влияние пространственного заряда на туннелирование электронов». Физический обзор . 152 (2): 683. Bibcode : 1966PhRv..152..683B . DOI : 10.1103 / PhysRev.152.683 .
Перейти ↑ Griffiths, David J. (2004). Введение в квантовую механику (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-111892-7
^ Иванов, Сергей А .; Пирятинский, Андрей; Нанда, Джагджит; Третьяк, Сергей; Завадил, Кевин Р .; Уоллес, Уильям О .; Вердер, Дон; Климов, Виктор И. (2007). «Нанокристаллы CdS / ZnSe типа II ядро / оболочка: синтез, электронная структура и спектроскопические свойства». Журнал Американского химического общества . 129 (38): 11708–19. DOI : 10.1021 / ja068351m . PMID 17727285 .
^ a b c Робель, Иштван; Куно, Масару; Камат, Прашант В. (2007). «Инжекция электронов в зависимости от размера из возбужденных квантовых точек CdSe в наночастицы TiO2». Журнал Американского химического общества . 129 (14): 4136–7. DOI : 10.1021 / ja070099a . PMID 17373799 .

Дальнейшее чтение [ править ]

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 устаревший справочник по применению, но всегда хорошее введение в основные принципы работы 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 .

[1] Смит, CG (1996). «Низкоразмерные квантовые устройства». Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 235282, стр. 244.

[GeimGrigorieva2013-2] Гейм, AK; Григорьева И.В. (2013). «Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса». Природа . 499 (7459): 419–425. arXiv : 1307,6718 . DOI : 10,1038 / природа12385 . ISSN 0028-0836 . PMID 23887427 . S2CID 205234832 .

[3] Окуда, Кодзи; Окамото, Хироаки; Хамакава, Ёсихиро (1983). «Многослойный солнечный элемент из аморфного кремния и поликристаллического кремния с эффективностью преобразования более 12%». Японский журнал прикладной физики . 22 (9): L605 – L607. DOI : 10,1143 / JJAP.22.L605 .

[4] Ямамото, Кендзи; Йошикава, Кунта; Узу, Хисаши; Адачи, Дайсуке (2018). «Высокоэффективные солнечные элементы из кристаллического кремния с гетеропереходом». Японский журнал прикладной физики . 57 (8S3): 08RB20. DOI : 10,7567 / JJAP.57.08RB20 .

[5] Кремер, Н. (1963). «Предлагаемый класс инжекционных лазеров на гетеропереходах». Труды IEEE . 51 (12): 1782–1783. DOI : 10.1109 / PROC.1963.2706 .

[6] Ин, Томас (2010). «гл. 5.1 Ленточная инженерия». Квантовые состояния полупроводниковых наноструктур и электронный транспорт . Соединенные Штаты Америки: Oxford University Press. С. 66 . ISBN 9780199534432.

[7] J. Tersoff (1984). «Теория полупроводниковых гетеропереходов: роль квантовых диполей». Physical Review B . 30 (8): 4874–4877. Bibcode : 1984PhRvB..30.4874T . DOI : 10.1103 / PhysRevB.30.4874 .

[pallab-8] Pallab, Бхаттачария (1997), Semiconductor оптоэлектронные устройства, Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7

[9] Адачи, Sadao (1993-01-01). Свойства арсенида алюминия-галлия . ISBN 9780852965580.

[Debbar-10] Деббар, N .; Бисвас, Дипанкар; Бхаттачарья, Паллаб (1989). «Смещения зоны проводимости в псевдоморфных квантовых ямах InxGa1-xAs / Al0.2Ga0.8As (0,07≤x≤0,18), измеренные методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней». Physical Review B . 40 (2): 1058. Bibcode : 1989PhRvB..40.1058D . DOI : 10.1103 / PhysRevB.40.1058 . PMID 9991928 .

[11] Конли, Дж .; Duke, C .; Mahan, G .; Тиманн, Дж. (1966). «Электронное туннелирование в барьерах металл-полупроводник». Физический обзор . 150 (2): 466. Bibcode : 1966PhRv..150..466C . DOI : 10.1103 / PhysRev.150.466 .

[12] Bendaniel, D .; Герцог, К. (1966). «Влияние пространственного заряда на туннелирование электронов». Физический обзор . 152 (2): 683. Bibcode : 1966PhRv..152..683B . DOI : 10.1103 / PhysRev.152.683 .

[13] Перейти ↑ Griffiths, David J. (2004). Введение в квантовую механику (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-111892-7

[14] Иванов, Сергей А .; Пирятинский, Андрей; Нанда, Джагджит; Третьяк, Сергей; Завадил, Кевин Р .; Уоллес, Уильям О .; Вердер, Дон; Климов, Виктор И. (2007). «Нанокристаллы CdS / ZnSe типа II ядро / оболочка: синтез, электронная структура и спектроскопические свойства». Журнал Американского химического общества . 129 (38): 11708–19. DOI : 10.1021 / ja068351m . PMID 17727285 .

[Robel-15] Робель, Иштван; Куно, Масару; Камат, Прашант В. (2007). «Инжекция электронов в зависимости от размера из возбужденных квантовых точек CdSe в наночастицы TiO2». Журнал Американского химического общества . 129 (14): 4136–7. DOI : 10.1021 / ja070099a . PMID 17373799 .

[1]