Гетеропереход

Интерфейс между двумя слоями или областями разнородных полупроводников

Гетеропереход — это 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 зоны во многих приложениях твердотельных устройств, включая полупроводниковые лазеры, солнечные элементы и транзисторы. Объединение нескольких гетеропереходов в устройстве называется гетероструктурой , хотя эти два термина обычно используются взаимозаменяемо. Требование, чтобы каждый материал был полупроводником с неравными запрещенными зонами, несколько неопределенно, особенно в малых масштабах длины, где электронные свойства зависят от пространственных свойств. Более современное определение гетероперехода — это интерфейс между любыми двумя твердотельными материалами, включая кристаллические и аморфные структуры металлических, изолирующих, быстроионных проводников и полупроводниковых материалов.

Производство и применение

Производство гетеропереходов обычно требует использования технологий молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) ^[1] или химического осаждения из паровой фазы (CVD) для точного контроля толщины осаждения и создания четко согласованного с решеткой резкого интерфейса. Недавней альтернативой, находящейся в стадии исследования, является механическая укладка слоистых материалов в гетероструктуры Ван-дер-Ваальса . ^[2]

Несмотря на свою дороговизну, гетеропереходы нашли применение в различных специализированных приложениях, где их уникальные характеристики имеют решающее значение:

• Солнечные элементы : Гетеропереходы формируются через интерфейс кристаллической кремниевой подложки (ширина запрещенной зоны 1,1 эВ) и аморфной кремниевой тонкой пленки (ширина запрещенной зоны 1,7 эВ) в некоторых архитектурах солнечных элементов. ^[3] Гетеропереход используется для разделения носителей заряда аналогично p–n-переходу . Гетеропереход с собственной тонкослойной (HIT) структурой солнечного элемента был впервые разработан в 1983 году ^[4] и коммерциализирован Sanyo / Panasonic . HIT-солнечные элементы в настоящее время удерживают рекорд как самые эффективные однопереходные кремниевые солнечные элементы 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 гетероструктурами. Включая меньший материал с прямой запрещенной зоной, такой как GaAs, между двумя большими слоями запрещенной зоны, такими как AlAs , носители могут быть ограничены так, что лазерная генерация может происходить при комнатной температуре с низкими пороговыми токами. Материаловедению по изготовлению гетероструктур потребовалось много лет , чтобы догнать идеи Кремера, но теперь это стандарт отрасли. Позже было обнаружено, что запрещенную зону можно контролировать, используя преимущества квантовых размерных эффектов в гетероструктурах с квантовыми ямами . Кроме того, гетероструктуры можно использовать в качестве волноводов для ступеньки индекса , которая возникает на границе раздела, что является еще одним важным преимуществом их использования в полупроводниковых лазерах. Полупроводниковые диодные лазеры, используемые в проигрывателях компакт-дисков и DVD-дисков , а также в волоконно-оптических трансиверах, изготавливаются 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 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 гетеропереходным биполярным 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 , создавая двумерный электронный газ в области, свободной от легирующих примесей , где может происходить очень малое рассеяние .

Катализ : использование гетеропереходов в качестве фотокатализаторов продемонстрировало, что они демонстрируют лучшую производительность в фотовосстановлении CO2 _, производстве H2 _и фотодеградации загрязняющих веществ в воде, чем отдельные оксиды металлов. ^[8] Производительность гетероперехода может быть дополнительно улучшена путем включения кислородных вакансий, кристаллической граненой инженерии или включения углеродистых материалов.

Выравнивание энергетических полос

Три типа полупроводниковых гетеропереходов, организованных по принципу выравнивания зон.

Зонная диаграмма для щели с зазором, n - n полупроводниковый гетеропереход в состоянии равновесия.

Поведение полупроводникового перехода в решающей степени зависит от выравнивания энергетических зон на интерфейсе. Полупроводниковые интерфейсы могут быть организованы в три типа гетеропереходов: с широко расставленной щелью (тип I), с разнесенной щелью (тип II) или с разорванной щелью (тип III), как показано на рисунке. ^[9] Вдали от перехода изгиб зон 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 интерфейсов вакуум-полупроводник (в частности, сродства электронов к вакууму ). Главным ограничением является пренебрежение химической связью.
• Было предложено общее правило анионов, которое предполагает, что поскольку валентная зона связана с анионными состояниями, материалы с одинаковыми анионами должны иметь очень малые смещения валентной зоны. Однако это не объясняет данные, но связано с тенденцией, что два материала с разными анионами имеют тенденцию иметь большие смещения валентной зоны, чем смещения зоны проводимости .
• Терсофф ^[10] предложил модель щелевого состояния , основанную на более привычных переходах металл-полупроводник , где смещение зоны проводимости задается разницей в высоте барьера Шоттки . Эта модель включает дипольный слой на границе между двумя полупроводниками, который возникает из-за туннелирования электронов из зоны проводимости одного материала в щель другого (аналогично щелевым состояниям, индуцированным металлом ). Эта модель хорошо согласуется с системами, где оба материала тесно согласованы по решетке ^[11], такими как GaAs / AlGaAs .
• Правило 60:40 является эвристическим для конкретного случая соединений между полупроводником GaAs и сплавом полупроводника Al _x Ga _{1− x} As. Поскольку x в Al _x Ga _{1− x} As стороне изменяется от 0 до 1, отношение имеет тенденцию сохранять значение 60/40. Для сравнения, правило Андерсона предсказывает для соединения GaAs/AlAs ( x =1). ^{[12] [13]} ${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}}$ ${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}=0.73/0.27}$

Типичным методом измерения смещений полос является их расчет путем измерения энергий экситонов в спектрах люминесценции . ^[13]

Эффективное несоответствие масс

Когда гетеропереход образован двумя различными полупроводниками , квантовая яма может быть изготовлена ​​из-за разницы в зонной структуре . Для того чтобы вычислить статические уровни энергии в полученной квантовой яме, понимание изменения или несоответствия эффективной массы через гетеропереход становится существенным. Квантовую яму, определенную в гетеропереходе, можно рассматривать как конечный потенциал ямы с шириной . Кроме того, в 1966 году Конли и др. ^[14] и БенДаниэль и Дьюк ^[15] сообщили о граничном условии для огибающей функции в квантовой яме, известном как граничное условие БенДаниэля–Дьюка. По их словам, огибающая функция в изготовленной квантовой яме должна удовлетворять граничному условию, которое гласит, что и оба непрерывны в областях интерфейса. ${\displaystyle l_{w}}$ ${\displaystyle \psi (z)}$ ${\displaystyle {\frac {1}{m^{*}}}{\partial \over {\partial z}}\psi (z)\,}$

Математические детали, разработанные для примера квантовой ямы .

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

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

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

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

Решения для приведенных выше уравнений хорошо известны, только с другими (модифицированными) k и ^[16] ${\displaystyle \kappa }$

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

При z = четное решение 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 функцию решения с четной 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 , взяв производные от (7) и (8), получаем

четность:

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

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 наномасштабного гетероперехода между оксидом железа (Fe ₃ O ₄  — сфера) и сульфидом кадмия (CdS — стержень), полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа . Этот смещенный щелевой переход (тип II) был синтезирован Хантером Макдэниелом и доктором Мунсабом Шимом в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне в 2007 году.

В квантовых точках энергии зон зависят от размера кристалла из-за эффектов квантового размера . Это позволяет проектировать смещение зон в наномасштабных гетероструктурах. Можно ^[17] использовать те же материалы, но изменить тип соединения, например, с широкополосного (тип I) на ступенчатый (тип II), путем изменения размера или толщины задействованных кристаллов. Наиболее распространенной наномасштабной гетероструктурной системой является ZnS на CdSe (CdSe@ZnS), которая имеет смещение широкополосного зазора (тип I). В этой системе гораздо большая ширина запрещенной зоны ZnS пассивирует поверхность флуоресцентного ядра CdSe, тем самым увеличивая квантовую эффективность люминесценции . Существует дополнительный бонус повышенной термической стабильности из -за более сильных связей в оболочке ZnS, что предполагает ее большая ширина запрещенной зоны. Поскольку CdSe и ZnS растут в кристаллической фазе цинковой обманки и имеют близкое соответствие решеток, предпочтительным является рост оболочки ядра. В других системах или при других условиях роста может оказаться возможным выращивание анизотропных структур, подобных той, что показана на изображении справа.

Движущей силой переноса заряда между зонами проводимости в этих структурах является смещение зоны проводимости. ^[18] Уменьшая размер нанокристаллов CdSe, выращенных на TiO ₂ , Робель и др. ^[18] обнаружили, что электроны быстрее переносятся из более высокой зоны проводимости CdSe в TiO ₂ . В CdSe эффект квантового размера 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 наномасштабных гетеропереходов. Для смещенных (тип II) наномасштабных гетеропереходов со смещенным положением может происходить фотоиндуцированное разделение заряда , поскольку там самое низкое энергетическое состояние для дырок может быть на одной стороне перехода, тогда как самая низкая энергия для электронов - на противоположной стороне. Было высказано предположение ^[18] , что анизотропные смещенные щелевые (тип II) наномасштабные гетеропереходы могут использоваться для фотокатализа , в частности, для расщепления воды с помощью солнечной энергии.

Смотрите также

• Гомопереход , p–n-переход — переход, в котором участвуют два типа одного и того же полупроводника.
• Переход металл–полупроводник — соединение металла с полупроводником.

Ссылки

1. Smith, CG (1996). "Низкоразмерные квантовые устройства". Rep. Prog. Phys. 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. Лёй, Сильвер; Зонтаг, Детлеф (2020), Шах, Арвинд (ред.), «Кристаллические кремниевые солнечные элементы: гетеропереходные элементы», Солнечные элементы и модули , т. 301, Cham: Springer International Publishing, стр. 163–195, doi : 10.1007/978-3-030-46487-5_7, ISBN 978-3-030-46485-1, получено 2023-04-18
4. Окуда, Кодзи; Окамото, Хироаки; Хамакава, Ёсихиро (1983). «Солнечный элемент из аморфного кремния/поликристаллического кремния с эффективностью преобразования более 12%». Японский журнал прикладной физики . 22 (9): L605–L607. Bibcode : 1983JaJAP..22L.605O. doi : 10.1143/JJAP.22.L605. S2CID  121569675.
5. Ямамото, Кэндзи; Ёсикава, Кунта; Удзу, Хисаши; Адачи, Дайсуке (2018). «Высокоэффективные гетеропереходные кристаллические солнечные элементы на основе кремния». Японский журнал прикладной физики . 57 (8S3): 08RB20. Bibcode : 2018JaJAP..57hRB20Y. doi : 10.7567/JJAP.57.08RB20. S2CID  125265042.
6. "HJT - Гетеропереходные солнечные элементы". Солнечные панели . Получено 2022-03-25 .
7. Кремер, Х. (1963). «Предложенный класс гетеропереходных инжекционных лазеров». Труды IEEE . 51 (12): 1782–1783. doi :10.1109/PROC.1963.2706.
8. Ортис-Киньонес, Хосе-Луис; Пал, Умапада (октябрь 2024 г.). «Спроектированные интерфейсом наноструктуры гетеропереходов оксида металла в фотокаталитическом восстановлении CO2: прогресс и перспективы». Coordination Chemistry Reviews . 516 : 215967. doi : 10.1016/j.ccr.2024.215967 .
9. Ihn, Thomas (2010). "гл. 5.1 Полосная инженерия". Полупроводниковые наноструктуры квантовые состояния и электронный транспорт . Соединенные Штаты Америки: Oxford University Press. стр. 66. ISBN 9780199534432.
10. 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.
11. Паллаб, Бхаттачарья (1997), Полупроводниковые оптоэлектронные приборы, Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7 
12. Адачи, Садао (1993-01-01). Свойства арсенида алюминия-галлия. ISBN 9780852965580.
13. Debbar, N.; Biswas, Dipankar; Bhattacharya, Pallab (1989). "Смещение зоны проводимости в псевдоморфных квантовых ямах InxGa1-xAs/Al0.2Ga0.8As (0,07≤x≤0,18), измеренное с помощью переходной спектроскопии глубоких уровней". Physical Review B. 40 ( 2): 1058–1063. Bibcode : 1989PhRvB..40.1058D. doi : 10.1103/PhysRevB.40.1058. PMID  9991928.
14. Конли, Дж.; Дьюк, К.; Махан, Г.; Тиманн, Дж. (1966). «Электронное туннелирование в барьерах металл–полупроводник». Physical Review . 150 (2): 466. Bibcode :1966PhRv..150..466C. doi :10.1103/PhysRev.150.466.
15. Бенданиэль, Д.; Дьюк, К. (1966). «Влияние пространственного заряда на туннелирование электронов». Physical Review . 152 (2): 683. Bibcode : 1966PhRv..152..683B. doi : 10.1103/PhysRev.152.683.
16. Гриффитс, Дэвид Дж. (2004). Введение в квантовую механику (2-е изд.). Prentice Hall. ISBN 0-13-111892-7 
17. 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: синтез, электронные структуры и спектроскопические свойства". Журнал Американского химического общества . 129 (38): 11708–19. doi :10.1021/ja068351m. PMID  17727285.
18. Робель, Иштван; Куно, Масару; Камат, Прашант В. (2007). «Зависящая от размера инжекция электронов из возбужденных квантовых точек CdSe в наночастицы TiO2». Журнал Американского химического общества . 129 (14): 4136–7. doi :10.1021/ja070099a. PMID  17373799.

Дальнейшее чтение

• Бастард, Жеральд (1991). Волновая механика в применении к полупроводниковым гетероструктурам . Wiley-Interscience . ISBN 978-0-470-21708-5.
• Фойхт, Д. Лион; Милнс, АГ (1970). Гетеропереходы и переходы металл–полупроводник . Нью-Йорк и Лондон : Academic Press ., ISBN 0-12-498050-3 . Несколько устаревший справочник по приложениям, но всегда хорошее введение в основные принципы гетеропереходных устройств. 
• Р. Цу; Ф. Зипман (1990). «Новые идеи в физике резонансного туннелирования». Surface Science . 228 (1–3): 418. Bibcode :1990SurSc.228..418T. doi :10.1016/0039-6028(90)90341-5.
• Курхекар, Анил Судхакар (2018). «Термический отжиг улучшает электрические свойства гетеропереходного диода». Международная конференция по исследованиям и образованию в области возобновляемой энергии (Rere-2018) . Труды конференции AIP. Том 1992. стр. 040027. Bibcode : 2018AIPC.1992d0027K. doi : 10.1063/1.5047992.