Гетеропереход - Heterojunction

А гетеропереход это интерфейс, который возникает между двумя слои или регионы разнородных полупроводники. Эти полупроводниковые материалы имеют неодинаковые запрещенные зоны в отличие от гомосоединение. 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 гетероструктура, 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 между любыми двумя твердотельными материалами, включая кристаллические и аморфные структуры металлических, изолирующих, проводник быстрых ионов и полупроводниковые материалы.

В 2000 г. Нобелевская премия по физике был награжден совместно Герберт Кремер из Калифорнийский университет, Санта Барбара, Калифорния, Соединенные Штаты Америки и Жорес И. Алферов из Иоффе, Санкт-Петербург, Россия для «разработки полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной фотографии и оптоэлектроника ".

Производство и применение

Производство гетеропереходов обычно требует использования молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)^[1] или химическое осаждение из паровой фазы (CVD) технологии для точного контроля толщины наплавки и создания резкой границы раздела фаз, полностью соответствующей решетке. Недавно исследуемой альтернативой является механическая укладка 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 батареи: Гетеропереходы обычно образуются на границе раздела кристаллической кремниевой подложки и аморфного кремниевого пассивирующего слоя в солнечных элементах. Гетеропереход со структурой солнечных элементов с внутренним тонким слоем (HIT) был впервые разработан в 1983 году.^[3] и коммерциализируется Саньо /Panasonic. Солнечные элементы HIT теперь являются рекордсменами по самым эффективным однопереходным кремниевым солнечным элементам с эффективностью преобразования 26,7%.^[4]
• Лазеры: Использование гетеропереходов в лазеры был впервые предложен^[5] в 1963 году, когда Герберт Кремер, выдающийся ученый в этой области, предположил, что инверсия населения могут быть значительно усилены гетероструктурами. За счет включения меньшего прямая запрещенная зона материал как GaAs между двумя большими запрещенными слоями, такими как Увы, перевозчики можно ограничить так, чтобы генерация может произойти в комнатная температура с низкими пороговыми токами. На то, чтобы материаловедение изготовления гетероструктур, чтобы догнать идеи Кремера, но теперь это промышленный стандарт. Позже было обнаружено, что шириной запрещенной зоны можно управлять, используя преимущества квантовые размерные эффекты в квантовая яма гетероструктуры. Кроме того, гетероструктуры могут использоваться как волноводы к шаг индекса что происходит на границе раздела, еще одно важное преимущество их использования в полупроводниковых лазерах. Полупроводник диодные лазеры используется в компакт диск и DVD игроки и оптоволокно трансиверы изготавливаются с использованием чередующихся слоев различных III-V и II-VI составные полупроводники для формирования лазерных гетероструктур.
• Биполярные транзисторы: Когда гетеропереход используется в качестве перехода база-эмиттер биполярный переходной транзистор, очень высокий форвард усиление и низкий результат обратного усиления. Это означает очень хорошую работу на высоких частотах (значения от десятков до сотен ГГц) и низкие частоты. токи утечки. Это устройство называется биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT).
• Полевые транзисторы: Гетеропереходы используются в транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), который может работать на значительно более высоких частотах (более 500 ГГц). Правильный допинг совмещение профиля и полосы приводит к чрезвычайно высоким подвижность электронов путем создания двумерный электронный газ в пределах область без примеси где очень мало рассеяние может случиться.

Выравнивание энергетической полосы

Три типа полупроводниковых гетеропереходов, организованных за счет выравнивания зон.

Ленточная диаграмма для трансмиссии, п-п полупроводниковый гетеропереход в состоянии равновесия.

Поведение полупроводникового перехода решающим образом зависит от юстировки энергетические полосы Интерфейсы полупроводников могут быть разделены на три типа гетеропереходов: смещенный зазор (тип I), ступенчатый зазор (тип II) или разорванный зазор (тип III), как показано на рисунке.^[6] Вдали от перекрестка изгиб ленты можно вычислить на основе обычной процедуры решения Уравнение Пуассона.

Существуют различные модели для прогнозирования выравнивания полос.

• Самая простая (и наименее точная) модель - это Правило Андерсона, который предсказывает выравнивание зон на основе свойств границ раздела вакуум-полупроводник (в частности, вакуум электронное сродство ). Основное ограничение - пренебрежение химическим связыванием.
• А общее правило аниона был предложен, который предполагает, что, поскольку валентная зона связана с анионными состояниями, материалы с теми же 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 к увеличению валентная полоса смещения, чем зона проводимости смещения.
• Терсофф^[7] предложил состояние разрыва модель на основе более привычной переходы металл-полупроводник где смещение зоны проводимости определяется разностью Барьер Шоттки рост. Эта модель включает диполь слой на границе между двумя полупроводниками, который возникает из электронное туннелирование из зоны проводимости одного материала в зазор другого (аналогично щелочные состояния, индуцированные металлом ). Эта модель хорошо согласуется с системами, в которых оба материала имеют близкую решетку.^[8] такие как GaAs /AlGaAs.
• В Правило 60:40 является эвристикой для конкретного случая контактов между полупроводником GaAs и сплавом полупроводник Al_ИксGa_1−ИксТак как. Поскольку Икс в Аль_ИксGa_1−ИксПри изменении стороны от 0 до 1 отношение ${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}}$ имеет тенденцию поддерживать значение 60/40. Для сравнения, правило Андерсона предсказывает ${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}=0.73/0.27}$ для перехода GaAs / AlAs (Икс=1).^[9][10]

Типичный метод измерения смещения ленты - вычисление ее на основе измерения экситон энергии в свечение спектры.^[10]

Несоответствие эффективных масс

Когда гетеропереход образован двумя разными полупроводники, а квантовая яма могут быть изготовлены из-за разницы в ленточная структура. Для расчета статического уровни энергии в пределах достигнутой квантовой ямы, понимание вариации или несоответствия эффективная масса через гетеропереход становится существенным. Квантовая яма, определяемая в гетеропереходе, может рассматриваться как потенциал конечной ямы с шириной ${\displaystyle l_{w}}$. Кроме того, в 1966 г. Conley et al.^[11] и Бен-Дэниел и Герцог^[12] сообщил о граничное условие для функция конверта в квантовой яме, известной как граничное условие Бен-Даниэля – Дьюка. Согласно им, огибающая функция в изготовленной квантовой яме должна удовлетворять граничному условию, которое гласит, что ${\displaystyle \psi (z)}$ и ${\displaystyle {\frac {1}{m^{*}}}{\partial \over {\partial z}}\psi (z)\,}$ оба непрерывны в интерфейсных областях.

Математические детали разработаны для квантовая яма пример.

С использованием Уравнение Шредингера для конечной ямы шириной ${\displaystyle l_{w}}$и центр в 0, уравнение для достигнутой квантовой ямы может быть записано как:

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

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

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

Решение приведенных выше уравнений хорошо известно, только с другими (модифицированными) k и ${\displaystyle \kappa }$ ^[13]

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

При z = ${\displaystyle +{\frac {l_{w}}{2}}}$ решение с четностью может быть получено из

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

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

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

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 численное решение, взяв производные от (7) и (8), получаем

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

Разница в эффективной массе материалов приводит к большей разнице в основное состояние энергии.

Наноразмерные гетеропереходы

Изображение наноразмерного гетероперехода между оксидом железа (Fe₃О₄ - сфера) и сульфид кадмия (CdS - стержень), взятые с ТЕМ. 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 квантовые точки энергии зон зависят от размера кристалла из-за квантовые размерные эффекты. Это позволяет проектировать смещение полосы в наноразмерных гетероструктурах. Возможно^[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 распространенная система наноразмерной гетероструктуры - это ZnS на CdSe (CdSe @ ZnS) со смещением поперечного зазора (тип I). В этой системе гораздо больше запрещенная зона ZnS пассивирует поверхность флуоресцентный Ядро CdSe, тем самым увеличивая квантовая эффективность из свечение. Есть дополнительный бонус в виде увеличенного термостойкость из-за более сильного облигации в оболочке ZnS, о чем свидетельствует большая ширина запрещенной зоны. Поскольку и CdSe, и ZnS растут в цинковая обманка кристаллической фазы и близко согласованной решетки, предпочтительным является рост оболочки ядра. В других системах или при других условиях роста возможно выращивание анизотропный структуры, подобные показанной на изображении справа.

Было показано^[15] что движущая сила для перенос заряда между зоны проводимости в этих структурах происходит смещение зоны проводимости. Уменьшая размер CdSe нанокристаллы вырос на TiO₂, Робель и др.^[15] обнаружили, что электроны быстрее переходят из более высокой зоны проводимости CdSe в TiO₂. 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 фотоиндуцированное разделение зарядов может возникнуть, поскольку существует самое низкое энергетическое состояние для дыры может быть на одной стороне перехода, тогда как самая низкая энергия для электронов находится на противоположной стороне. Это было предложено^[15] что анизотропные гетеропереходы со ступенчатой ​​щелью (тип II) могут быть использованы для фотокатализ специально для расщепление воды с солнечной энергией.

Смотрите также

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

использованная литература

1. Смит, К.Г. (1996). «Низкоразмерные квантовые устройства». Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 235282, стр. 244.
2. Гейм, А.К .; Григорьева И. В. (2013). «Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса». Природа. 499 (7459): 419–425. arXiv:1307.6718. Дои: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. Дои: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. Дои:10.7567 / JJAP.57.08RB20.
5. Кремер, Х. (1963). «Предлагаемый класс инжекционных лазеров на гетеропереходах». Труды IEEE. 51 (12): 1782–1783. Дои: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. стр.66. ISBN  9780199534432.
7. Дж. Терсофф (1984). «Теория полупроводниковых гетеропереходов: роль квантовых диполей». Физический обзор B. 30 (8): 4874–4877. Bibcode:1984ПхРвБ..30.4874Т. Дои:10.1103 / PhysRevB.30.4874.
8. Паллаб, Бхаттачарья (1997), Semiconductor Optoelectronic Devices, Prentice Hall, ISBN  0-13-495656-7
9. Адачи, Садао (1 января 1993 г.). Свойства арсенида алюминия-галлия. ISBN  9780852965580.
10. Debbar, 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». Физический обзор B. 40 (2): 1058. Bibcode:1989ПхРвБ..40.1058Д. Дои: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:1966ПхРв..150..466С. Дои:10.1103 / PhysRev.150.466.
12. Bendaniel, D .; Герцог, К. (1966). «Влияние пространственного заряда на туннелирование электронов». Физический обзор. 152 (2): 683. Bibcode:1966ПхРв..152..683Б. Дои:10.1103 / PhysRev.152.683.
13. Гриффитс, Дэвид Дж. (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 Иванович (2007). «Нанокристаллы CdS / ZnSe типа II ядро ​​/ оболочка: синтез, электронная структура и спектроскопические свойства». Журнал Американского химического общества. 129 (38): 11708–19. Дои:10.1021 / ja068351m. PMID  17727285.
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. Дои:10.1021 / ja070099a. PMID  17373799.

дальнейшее чтение

• Ублюдок, Джеральд (1991). Волновая механика в полупроводниковых гетероструктурах. Wiley-Interscience. ISBN  978-0-470-21708-5.
• Фейхт, Д. Лион; Милнс, А.Г. (1970). Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. Нью-Йорк и Лондон: Академическая пресса., 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:1990СурСк.228..418Т. Дои:10.1016/0039-6028(90)90341-5.