Гетеропереход

Интерфейс между двумя слоями или областями разнородных полупроводников.

Гетеропереход — это граница раздела между двумя слоями или областями разнородных полупроводников . Эти полупроводниковые материалы имеют неравную ширину запрещенной зоны в отличие от гомоперехода . Часто бывает выгодно спроектировать электронные энергетические зоны во многих твердотельных устройствах, 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 неопределенным, 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, проводников быстрых ионов и полупроводниковых материалов.

Производство и применение

Производство гетеропереходов обычно требует использования технологий молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) ^[1] или химического осаждения из паровой фазы (CVD) для точного контроля толщины осаждения и создания четко согласованной с решеткой резкой границы раздела. Недавней альтернативой, находящейся в стадии исследования, 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 элементы . В некоторых конструкциях солнечных элементов гетеропереходы образуются на границе раздела кристаллической кремниевой подложки (запрещенная зона 1,1 эВ) и тонкой пленки аморфного кремния (запрещенная зона 1,7 эВ). ^[3] Гетеропереход используется для разделения носителей заряда аналогично p – n-переходу . Гетеропереход с внутренней тонкослойной структурой солнечных элементов (HIT) был впервые разработан в 1983 году ^[4] и коммерциализирован компанией Sanyo / Panasonic . Солнечные элементы HIT теперь являются рекордсменом среди самых эффективных однопереходных кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования 26,7%. ^{[1] [5] [6]}
• Лазеры . Использование гетеропереходов в лазерах было впервые предложено ^[7] в 1963 году, когда Герберт Кремер , выдающийся ученый в этой области, предположил, что инверсия населенности может быть значительно усилена с помощью гетероструктур. Включив материал с прямой запрещенной зоной меньшего размера , такой как GaAs, между двумя слоями с большей запрещенной зоной, например AlAs , можно ограничить носители заряда , чтобы генерация могла происходить при комнатной температуре с низкими пороговыми токами. Материаловедению изготовления гетероструктур потребовалось много лет, чтобы догнать идеи Кремера, но теперь это отраслевой стандарт. Позже было обнаружено, что запрещенную зону можно контролировать, используя квантово-размерные эффекты в гетероструктурах с квантовыми ямами . Кроме того, гетероструктуры можно использовать в качестве волноводов для преломления границы раздела, что является еще одним важным преимуществом их использования в полупроводниковых лазерах. Полупроводниковые диодные лазеры , используемые в проигрывателях компакт-дисков и DVD , а также в волоконно-оптических трансиверах , изготавливаются с использованием чередующихся слоев различных полупроводников III-V и II-VI для формирования лазерных гетероструктур.
• Биполярные транзисторы : когда гетеропереход используется в качестве перехода база-эмиттер биполярного транзистора , получается чрезвычайно высокий прямой коэффициент усиления и низкий обратный коэффициент усиления. Это приводит к очень хорошей работе на высоких частотах (значения от десятков до сотен ГГц) и низким токам утечки . Это устройство называется биполярным гетеропереходным транзистором (ГБТ).
• 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 незначительное рассеяние .

Выравнивание энергетических диапазонов

Три типа полупроводниковых гетеропереходов, организованных по принципу выравнивания зон.

Зонная диаграмма страдинговой щели, n - n полупроводниковый гетеропереход в равновесии.

Поведение полупроводникового перехода решающим образом зависит от расположения энергетических зон на границе раздела. Полупроводниковые интерфейсы могут быть организованы в три типа гетеропереходов: с двусторонним зазором (тип I), с шахматным зазором (тип II) или с разрывом зазора (тип III), как показано на рисунке. ^[8] Вдали от перехода изгиб зоны 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 вакуума к электрону ). Основным ограничением является пренебрежение химическими связями.
• Было предложено общее правило анионов , согласно которому, поскольку валентная зона связана с анионными состояниями, материалы с одинаковыми анионами должны иметь очень небольшие смещения валентной зоны. Однако это не объясняет данные, но связано с тенденцией, согласно которой два материала с разными анионами имеют тенденцию иметь большее смещение валентной зоны , чем смещение зоны проводимости .
• Терсофф ^[9] предложил модель щелевого состояния , основанную на более известных 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 щель другого материала (аналогично состояниям щели, индуцированным металлом ). Эта модель хорошо согласуется с системами, в которых оба материала имеют близко согласованную решетку ^[10], например, GaAs / AlGaAs .
• Правило 60:40 представляет собой эвристику для конкретного случая соединений полупроводника GaAs и полупроводникового сплава Al _x Ga _{1− x} As. Поскольку x на стороне Al _x Ga _{1- x} As изменяется от 0 до 1, соотношение стремится поддерживать значение 60/40. Для сравнения, правило Андерсона предсказывает переход GaAs/AlAs ( x =1). ^{[11] [12]} ${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}}$ ${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}=0.73/0.27}$

Типичным методом измерения смещений полос является их расчет на основе измерения энергий экситонов в спектрах люминесценции . ^[12]

Эффективное несоответствие масс

Когда гетеропереход образован двумя разными полупроводниками , квантовая яма может быть изготовлена ​​из-за различия в зонной структуре . Для расчета статических уровней энергии внутри полученной квантовой ямы становится важным понимание изменения или несоответствия эффективной массы в гетеропереходе. Квантовую яму, определенную в гетеропереходе, можно рассматривать как потенциал конечной ямы шириной . Кроме того, в 1966 г. Конли и др. ^[13] и БенДэниел и Дьюк ^[14] сообщили о граничном условии для огибающей функции в квантовой яме, известном как граничное условие БенДэниела-Дьюка. По их мнению, огибающая функция в изготовленной квантовой яме должна удовлетворять граничному условию, которое гласит, что обе функции непрерывны в областях интерфейса. ${\displaystyle l_{w}}$ ${\displaystyle \psi (z)}$ ${\displaystyle {\frac {1}{m^{*}}}{\partial \over {\partial z}}\psi (z)\,}$

Математические детали проработаны на примере квантовой ямы .

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

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

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

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

Решение приведенных выше уравнений хорошо известно, только с разными (модифицированными) k и ^[15] ${\displaystyle \kappa }$

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

При z = четном решении можно получить из ${\displaystyle +{\frac {l_{w}}{2}}}$

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

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 четную функцию решения:

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

Аналогично, для решения нечетной четности:

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

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

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

Наномасштабные гетеропереходы

Изображение наноразмерного гетероперехода между оксидом железа (Fe ₃ O ₄  — сфера) и сульфидом кадмия (CdS — стержень), полученное с помощью ПЭМ . Это смещенное соединение со смещенным зазором (тип II) было синтезировано Хантером МакДэниелом и доктором Мунсуб Шим в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2007 году.

В квантовых точках энергии зон зависят от размера кристалла из-за квантово-размерных эффектов . Это позволяет реализовать технологию смещения зон в наноразмерных гетероструктурах. Можно ^[16] использовать те же материалы, но изменить тип соединения, например, с «шахматного» (тип I) на шахматное (тип II), изменив размер или толщину участвующих кристаллов. Наиболее распространенной наноразмерной гетероструктурной системой является ZnS на CdSe (CdSe@ZnS), которая имеет смещенный межзональный зазор (тип I). В этой системе гораздо большая запрещенная зона ZnS пассивирует поверхность флуоресцентного ядра CdSe , тем самым увеличивая квантовую эффективность люминесценции . Дополнительным преимуществом является повышенная термическая стабильность за счет более прочных связей в оболочке ZnS, о чем свидетельствует большая ширина запрещенной зоны. Поскольку CdSe и ZnS растут в кристаллической фазе цинковой обманки и имеют близкое согласование по решетке, предпочтительным является рост ядра-оболочки. В других системах или при других условиях выращивания можно вырастить анизотропные структуры, подобные той, что видна на изображении справа.

Движущей силой переноса заряда между зонами проводимости в этих структурах является смещение зоны проводимости. ^[17] Уменьшив размер нанокристаллов CdSe, выращенных на TiO ₂ , Robel et al. ^[17] обнаружили, что электроны быстрее переходят из зоны проводимости CdSe в TiO ₂ . В CdSe квантово-размерный эффект гораздо более выражен в зоне проводимости из-за меньшей эффективной массы, чем в валентной зоне, и это характерно для большинства полупроводников. Следовательно, спроектировать смещение зоны проводимости обычно намного проще с помощью наноразмерных гетеропереходов. Для наноразмерных гетеропереходов со сдвигом (тип II) может происходить фотоиндуцированное разделение зарядов , поскольку там самое низкое энергетическое состояние для дырок может находиться на одной стороне перехода, тогда как самая низкая энергия для электронов находится на противоположной стороне. Было высказано предположение ^[17] , что анизотропные наноразмерные гетеропереходы с 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 двух типов одного и того же полупроводника.
• Переход металл-полупроводник — переход металла с полупроводником.

Рекомендации

1. Смит, CG (1996). «Низкоразмерные квантовые устройства». Реп. прог. Физ. 59 (1996) 235282, стр. 244.
2. Гейм, АК; Григорьева, ИВ (2013). «Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса». Природа . 499 (7459): 419–425. arXiv : 1307.6718 . дои : 10.1038/nature12385. ISSN  0028-0836. PMID  23887427. S2CID  205234832.
3. Леу, Сильвер; Зонтаг, Детлеф (2020), Шах, Арвинд (редактор), «Кристаллические кремниевые солнечные элементы: гетеропереходные элементы», Солнечные элементы и модули , том. 301, Чам: Springer International Publishing, стр. 163–195, номер документа : 10.1007/978-3-030-46487-5_7, ISBN. 978-3-030-46485-1, получено 18 апреля 2023 г.
4. Окуда, Кодзи; Окамото, Хироаки; Хамакава, Ёсихиро (1983). «Сложенный солнечный элемент из аморфного кремния / поликристаллического кремния, имеющий эффективность преобразования более 12%». Японский журнал прикладной физики . 22 (9): Л605–Л607. Бибкод : 1983JaJAP..22L.605O. дои :10.1143/JJAP.22.L605. S2CID  121569675.
5. Ямамото, Кендзи; Ёсикава, Кунта; Узу, Хисаши; Адачи, Дайсуке (2018). «Высокоэффективные солнечные элементы на кристаллическом кремнии с гетеропереходом». Японский журнал прикладной физики . 57 (8С3): 08РБ20. Бибкод : 2018JaJAP..57hRB20Y. дои : 10.7567/JJAP.57.08RB20. S2CID  125265042.
6. "HJT - Солнечные элементы с гетеропереходом" . Солнечные энергетические панели . Проверено 25 марта 2022 г.
7. Кремер, Х. (1963). «Предлагаемый класс инжекционных лазеров с гетеропереходом». Труды IEEE . 51 (12): 1782–1783. дои : 10.1109/PROC.1963.2706.
8. Ин, Томас (2010). «Гл. 5.1 Ленточная инженерия». Полупроводниковые наноструктуры. Квантовые состояния и электронный транспорт . Соединенные Штаты Америки: Издательство Оксфордского университета. стр. 66. ISBN 9780199534432.
9. Дж. Терсофф (1984). «Теория полупроводниковых гетеропереходов: роль квантовых диполей». Физический обзор B . 30 (8): 4874–4877. Бибкод : 1984PhRvB..30.4874T. doi : 10.1103/PhysRevB.30.4874.
10. Паллаб, Бхаттачарья (1997), Полупроводниковые оптоэлектронные устройства, Прентис Холл, ISBN 0-13-495656-7 
11. Адачи, Садао (1 января 1993 г.). Свойства арсенида алюминия-галлия. ISBN 9780852965580.
12. Деббар, Н.; Бисвас, Дипанкар; Бхаттачарья, Паллаб (1989). «Сдвиги зоны проводимости в псевдоморфных квантовых ямах InxGa1-xAs/Al0,2Ga0,8As (0,07≤x≤0,18), измеренные методом переходной спектроскопии глубоких уровней». Физический обзор B . 40 (2): 1058–1063. Бибкод : 1989PhRvB..40.1058D. doi :10.1103/PhysRevB.40.1058. ПМИД  9991928.
13. Конли, Дж.; Дюк, К.; Махан, Г.; Тиманн, Дж. (1966). «Туннелирование электронов в барьерах металл-полупроводник». Физический обзор . 150 (2): 466. Бибкод : 1966PhRv..150..466C. doi : 10.1103/PhysRev.150.466.
14. Бенданиэль, Д.; Дюк, К. (1966). «Влияние пространственного заряда на туннелирование электронов». Физический обзор . 152 (2): 683. Бибкод : 1966PhRv..152..683B. дои : 10.1103/PhysRev.152.683.
15. Гриффитс, Дэвид Дж. (2004). Введение в квантовую механику (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-111892-7 
16. 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. дои : 10.1021/ja068351m. ПМИД  17727285.
17. Робель, Иштван; Куно, Масару; Камат, Прашант В. (2007). «Размер-зависимая инжекция электронов из возбужденных квантовых точек CdSe в наночастицы TiO2». Журнал Американского химического общества . 129 (14): 4136–7. дои : 10.1021/ja070099a. ПМИД  17373799.

дальнейшее чтение

• Ублюдок, Жеральд (1991). Волновая механика в приложении к полупроводниковым гетероструктурам . Уайли-Интерсайенс . ISBN 978-0-470-21708-5.
• Фейхт, Д. Лион; Милнс, AG (1970). Гетеропереходы и переходы металл–полупроводник . Нью-Йорк и Лондон : Академическая пресса ., ISBN 0-12-498050-3 . Несколько устаревший справочник по приложениям, но всегда является хорошим введением в основные принципы гетеропереходных устройств. 
• Р. Цу; Ф. Зипман (1990). «Новые идеи в физике резонансного туннелирования». Поверхностная наука . 228 (1–3): 418. Бибкод : 1990SurSc.228..418T. дои : 10.1016/0039-6028(90)90341-5.
• Анил Судхакар Курхекар (2018). «Термический отжиг улучшает электрические свойства диода с гетеропереходом». Материалы конференции Американского института физики . 1991 (1): 418. doi : 10.1063/1.5047992.