Heterojunction - Heterojunction

A heterojunction je rozhraní, které se vyskytuje mezi dvěma vrstvy nebo regiony odlišné polovodiče. Tyto polovodičové materiály jsou nerovné mezery v pásmu na rozdíl od a homojunction. Často je výhodné navrhnout pásma elektronické energie v mnoha aplikacích polovodičových zařízení, včetně polovodičových laserů, solárních článků a tranzistorů. Kombinace několika heterojunkce dohromady v zařízení se nazývá a heterostruktura, i když se tyto dva výrazy běžně používají zaměnitelně. Požadavek, aby každý materiál byl polovodič s nerovnými mezerami v pásmu, je poněkud volný, zejména na stupnicích malé délky, kde elektronické vlastnosti závisí na prostorových vlastnostech. Modernější definicí heterojunkce je rozhraní mezi jakýmikoli dvěma materiály v pevné fázi, včetně krystalických a amorfních struktur kovových, izolačních, rychlý iontový vodič a polovodičové materiály.

V roce 2000 Nobelova cena ve fyzice získal společně Herbert Kroemer z University of California, Santa Barbara, Kalifornie, USA a Zhores I. Alferov z Ioffe Institute, Petrohrad, Rusko pro „vývoj polovodičových heterostruktur používaných ve vysokorychlostním fotografování a optoelektronika ".

Výroba a aplikace

Výroba heterojunkcí obecně vyžaduje použití epitaxe molekulárního paprsku (MBE)^[1] nebo chemická depozice par (CVD) technologie za účelem přesné kontroly tloušťky depozice a vytvoření čistě mřížkově přizpůsobeného náhlého rozhraní. Poslední alternativou v rámci výzkumu je mechanické stohování vrstvených materiálů do van der Waalsovy heterostruktury.^[2]

Navzdory jejich nákladům našly heterojunkce použití v různých specializovaných aplikacích, kde jsou jejich jedinečné vlastnosti kritické:

Solární články: Heterojunkce se běžně vytvářejí přes rozhraní krystalického křemíkového substrátu a amorfní pasivační vrstvy křemíku v solárních článcích. Heterojunkce se strukturou solárních článků HIN (Intrinsic Thin-Layer) byla poprvé vyvinuta v roce 1983^[3] a komercializováno společností Sanyo /Panasonic. Solární články HIT nyní drží rekord v nejúčinnějším jednořetězcovém křemíkovém solárním článku s účinností konverze 26,7%.^[4]
Lasery: Používání heterojunkce v lasery byl poprvé navržen^[5] v roce 1963, kdy Herbert Kroemer, významný vědec v této oblasti, to navrhl populační inverze by mohly být výrazně vylepšeny heterostrukturami. Začleněním menšího přímá mezera v pásmu materiál jako GaAs mezi dvěma většími vrstvami mezery jako Běda, dopravci lze omezit tak, že lasování může nastat v pokojová teplota s nízkými prahovými proudy. Trvalo mnoho let, než věda o materiálech výroby heterostruktur, aby dohnaly Kroemerovy myšlenky, ale nyní je to průmyslový standard. Později bylo zjištěno, že mezeru v pásmu lze ovládat využitím výhody efekty kvantové velikosti v kvantová studna heterostruktury. Dále lze použít heterostruktury jako vlnovody do indexový krok který se vyskytuje na rozhraní, další velkou výhodou jejich použití v polovodičových laserech. Polovodič diodové lasery použito v CD a DVD hráči a optické vlákno vysílače a přijímače jsou vyráběny pomocí střídání různých vrstev III-V a II-VI složené polovodiče k vytvoření laserových struktur.
Bipolární tranzistory: Když je heterojunkce použita jako spojení základna-emitor a bipolární spojovací tranzistor, extrémně vysoko vpřed získat a výsledek nízkého reverzního zisku. To znamená velmi dobrý vysokofrekvenční provoz (hodnoty v desítkách až stovkách GHz) a nízký svodové proudy. Toto zařízení se nazývá a heterojunkční bipolární tranzistor (HBT).
Tranzistory s efektem pole: Heterojunkce se používají v tranzistory s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT), které mohou pracovat na výrazně vyšších frekvencích (nad 500 GHz). Správný doping profil a zarovnání pásma vede k extrémně vysoké elektronové mobility vytvořením dvourozměrný elektronový plyn v rámci oblast bez dopantů kde velmi málo rozptyl může dojít.

Zarovnání energetického pásma

Tyto tři typy polovodičových heterojunkcí organizované zarovnáním pásma.

Pásmový diagram pro rozkročenou mezeru, n-n polovodičová heterojunkce v rovnováze.

Chování polovodičového spoje rozhodujícím způsobem závisí na uspořádání energetické pásma Polovodičová rozhraní lze rozdělit do tří typů heterojunkce: rozkročená mezera (typ I), střídavá mezera (typ II) nebo přerušená mezera (typ III), jak je vidět na obrázku.^[6] Daleko od křižovatky ohýbání pásu lze vypočítat na základě obvyklého postupu řešení Poissonova rovnice.

Existují různé modely, které předpovídají vyrovnání pásma.

Nejjednodušší (a nejméně přesný) model je Andersonovo pravidlo, který předpovídá zarovnání pásma na základě vlastností vakuových polovodičových rozhraní (zejména vakua elektronová afinita ). Hlavním omezením je zanedbání chemické vazby.
A společné pravidlo aniontu Bylo navrženo, že se předpokládá, že jelikož valenční pásmo souvisí s aniontovými stavy, materiály se stejnými anionty by měly mít velmi malé posuny valenčního pásma. To však nevysvětlilo údaje, ale souvisí s trendem, že dva materiály s různými anionty mají tendenci mít větší valenční pásmo kompenzuje než vodivé pásmo vyrovnání.
Tersoff^[7] navrhl a stav mezery model založený na známějších spojení kov-polovodič kde offset vodivého pásma je dán rozdílem v Schottkyho bariéra výška. Tento model obsahuje a dipól vrstva na rozhraní mezi dvěma polovodiči, ze kterého vzniká tunelování elektronů z vodivého pásma jednoho materiálu do mezery druhého (analogicky k stavy mezery vyvolané kovem ). Tento model dobře souhlasí se systémy, kde jsou oba materiály úzce spárovány^[8] jako GaAs /AlGaAs.
The Pravidlo 60:40 je heuristika pro konkrétní případ spojení mezi polovodičovým GaAs a slitinovým polovodičem Al_XGa_1−XTak jako. Jako X v Al_XGa_1−XJako strana se mění od 0 do 1, poměr ${ displaystyle Delta E_ {C} / Delta E_ {V}}$ má tendenci udržovat hodnotu 60/40. Pro srovnání Andersonovo pravidlo předpovídá ${ displaystyle Delta E_ {C} / Delta E_ {V} = 0,73 / 0,27}$ pro křižovatku GaAs / AlAs (X=1).^[9]^[10]

Typickou metodou pro měření offsetů pásma je jejich výpočet z měření exciton energie v světélkování spektra.^[10]

Efektivní nesoulad hmotnosti

Když je heterojunkce tvořena dvěma různými polovodiče, a kvantová studna lze vyrobit kvůli rozdílu v struktura pásma. Za účelem výpočtu statické energetické hladiny v rámci dosažené kvantové jámy pochopení variace nebo nesouladu efektivní hmotnost přes heterojunkci se stává podstatným. S kvantovou jamkou definovanou v heterojunkci lze zacházet jako s potenciálem konečné jamky o šířce ${ displaystyle l_ {w}}$ . Navíc v roce 1966 Conley et al.^[11] a BenDaniel a Duke^[12] hlásil a okrajová podmínka pro funkce obálky v kvantové studni, známé jako okrajová podmínka BenDaniel – Duke. Podle nich musí funkce obálky ve vyrobeném kvantovém vrtu splňovat okrajovou podmínku, která to říká ${ displaystyle psi (z)}$ a ${ displaystyle { frac {1} {m ^ {*}}} { částečné nad { částečné z}} psi (z) ,}$ jsou spojité v oblastech rozhraní.

Matematické detaily byly zpracovány kvantová studna příklad.

Za použití Schrödingerova rovnice pro konečnou studnu o šířce ${ displaystyle l_ {w}}$ a střed na 0, rovnici pro dosaženou kvantovou jamku lze zapsat jako:

{ 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 {pro}} 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 {pro}} - { frac {l_ {w}} {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 {pro}} z> + { frac {l_ {w}} {2}} quad čtyřkolka (3)}

Řešení pro výše uvedené rovnice jsou dobře známá, pouze s různými (upravenými) k a ${ displaystyle kappa}$ ^[13]

{ displaystyle k = { frac { sqrt {2m_ {w} E}} { hbar}} quad quad kappa = { frac { sqrt {2m_ {b} (VE)}} { hbar }} quad quad (4)}

.

Na z = ${ displaystyle + { frac {l_ {w}} {2}}}$ řešení rovnoměrné parity lze získat z

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

.

Převzetím derivace (5) a vynásobením obou stran číslem ${ displaystyle { frac {1} {m ^ {*}}}}$

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

.

Vydělením (6) a (5) lze získat funkci řešení rovnoměrné parity,

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

.

Podobně pro řešení liché parity

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

.

Pro numerické řešení, přičemž deriváty (7) a (8) dává

sudá parita:

{ 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)}

lichá parita:

{ 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)}

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

Rozdíl v efektivní hmotnosti mezi materiály má za následek větší rozdíl v základní stav energie.

Heterojunkce v nanoměřítku

Obrázek heterojunkce v nanoměřítku mezi oxidem železitým (Fe₃Ó₄ - koule) a sulfid kademnatý (CdS - tyč) odebraný pomocí a TEM. Tento odstupňovaný přechod mezery (typu II) byl syntetizován Hunterem McDanielem a Dr. Moonsubem Shimem z University of Illinois v Urbana-Champaign v roce 2007.

v kvantové tečky energie pásma jsou závislé na velikosti krystalu kvůli efekty kvantové velikosti. To umožňuje inženýrství offsetu pásma v heterostrukturách v nanoměřítku. To je možné^[14] použít stejné materiály, ale změnit typ spojení, řekněme z rozkročeného (typ I) na střídavý (typ II), změnou velikosti nebo tloušťky použitých krystalů. Nejběžnějším heterostrukturním systémem v nanoměřítku je ZnS na CdSe (CdSe @ ZnS), který má přesahující obkročnou mezeru (typ I). V tomto systému mnohem větší mezera v pásmu ZnS pasivuje povrch fluorescenční CdSe jádro a tím zvyšuje kvantová účinnost z světélkování. K dispozici je bonus navíc tepelná stabilita kvůli silnějšímu vazby v plášti ZnS, jak naznačuje jeho větší pásová mezera. Protože CdSe i ZnS rostou v EU zinekblende krystalická fáze a jsou navzájem úzce spřaženy, je preferován růst jádrového pláště. V jiných systémech nebo za různých růstových podmínek je možné růst anizotropní struktury, jako je ta, která je vidět na obrázku vpravo.

Ukázalo se to^[15] že hnací síla pro přenos poplatků mezi vodivé pásma v těchto strukturách je posunutí pásma vodivosti. Zmenšením velikosti CdSe nanokrystaly pěstované na TiO₂ Robel a kol.^[15] zjistili, že elektrony se rychleji přenášely z vyššího CdSe vodivého pásma do TiO₂. V CdSe je efekt kvantové velikosti mnohem výraznější ve vodivém pásmu kvůli menší účinné hmotnosti než ve valenčním pásmu, což je případ většiny polovodičů. V důsledku toho je inženýrství posunutí pásma vodivosti obvykle mnohem jednodušší s heterojunkce v nanoměřítku. Pro střídavé (typ II) offsetové heterojunkce v nanoměřítku fotoindukované oddělení náboje může nastat, protože tam je nejnižší energetický stav pro díry může být na jedné straně spojení, zatímco nejnižší energie pro elektrony je na opačné straně. Bylo to navrženo^[15] že lze použít anizotropní rozložené mezery (typ II) v heterosuncích v měřítku fotokatalýza, konkrétně pro štěpení vody se solární energií.

Viz také

Homojunction, p – n spojení - spojení zahrnující dva typy stejného polovodiče.
Spojení kov-polovodič - spojení kovu s polovodičem.

Reference

^ Smith, C.G (1996). „Nízkodimenzionální kvantová zařízení“. Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 235282, str. 244.
^ Geim, A. K .; Grigorieva, I. V. (2013). „Van der Waalsovy heterostruktury“. Příroda. 499 (7459): 419–425. arXiv:1307.6718. doi:10.1038 / příroda12385. ISSN 0028-0836. PMID 23887427. S2CID 205234832.
^ Okuda, Koji; Okamoto, Hiroaki; Hamakawa, Yoshihiro (1983). „Amorfní Si / polykrystalický Si skládaný solární článek s více než 12% účinností konverze“. Japonský žurnál aplikované fyziky. 22 (9): L605 – L607. doi:10.1143 / JJAP.22.L605.
^ Yamamoto, Kenji; Yoshikawa, Kunta; Uzu, Hisashi; Adachi, Daisuke (2018). "Vysoce účinné heterojunkční krystalické Si solární články". Japonský žurnál aplikované fyziky. 57 (8S3): 08RB20. doi:10,7567 / JJAP.57.08RB20.
^ Kroemer, H. (1963). "Navrhovaná třída vstřikovacích laserů s hetero-spojem". Sborník IEEE. 51 (12): 1782–1783. doi:10.1109 / PROC.1963.2706.
^ Ihn, Thomas (2010). "kap. 5.1 Pásmové inženýrství". Polovodičové nanostruktury Kvantové stavy a elektronická doprava. Spojené státy americké: Oxford University Press. str.66. ISBN 9780199534432.
^ J. Tersoff (1984). "Teorie polovodičových heterojunkcí: Role kvantových dipólů". Fyzický přehled B. 30 (8): 4874–4877. Bibcode:1984PhRvB..30.4874T. doi:10.1103 / PhysRevB.30.4874.
^ Pallab, Bhattacharya (1997), Semiconductor Optoelectronic Devices, Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7
^ Adachi, Sadao (01.01.1993). Vlastnosti arsenidu hlinitého a gália. ISBN 9780852965580.
^ ^A ^b Debbar, N .; Biswas, Dipankar; Bhattacharya, Pallab (1989). "Posunutí pásma vodivosti v pseudomorfních kvantových jamkách InxGa1-xAs / Al0.2Ga0.8As (0,07≤x≤0,18) měřeno přechodnou spektroskopií na hluboké úrovni". Fyzický přehled B. 40 (2): 1058. Bibcode:1989PhRvB..40.1058D. doi:10.1103 / PhysRevB.40.1058. PMID 9991928.
^ Conley, J .; Duke, C .; Mahan, G .; Tiemann, J. (1966). „Tunelování elektronů v kovových polovodičových bariérách“. Fyzický přehled. 150 (2): 466. Bibcode:1966PhRv..150..466C. doi:10.1103 / PhysRev.150.466.
^ Bendaniel, D .; Duke, C. (1966). „Vliv vesmírného náboje na tunelování elektronů“. Fyzický přehled. 152 (2): 683. Bibcode:1966PhRv..152..683B. doi:10.1103 / PhysRev.152.683.
^ Griffiths, David J. (2004). Úvod do kvantové mechaniky (2. vyd.). Prentice Hall. ISBN 0-13-111892-7
^ Ivanov, Sergei A .; Piryatinski, Andrei; Nanda, Jagjit; Tretiak, Sergei; Zavadil, Kevin R .; Wallace, William O .; Werder, Don; Klimov, Victor I. (2007). „Nanokrystaly jádra / skořápky CdS / ZnSe typu II: syntéza, elektronické struktury a spektroskopické vlastnosti“. Journal of the American Chemical Society. 129 (38): 11708–19. doi:10,1021 / ja068351m. PMID 17727285.
^ ^A ^b ^C Robel, István; Kuno, Masaru; Kamat, Prashant V. (2007). „Injekce elektronů závislých na velikosti z nadšených kvantových bodů CdSe do částic nanočástic TiO2“. Journal of the American Chemical Society. 129 (14): 4136–7. doi:10.1021 / ja070099a. PMID 17373799.

Další čtení

Bastard, Gérald (1991). Vlnová mechanika aplikovaná na polovodičové heterostruktury. Wiley-Interscience. ISBN 978-0-470-21708-5.
Feucht, D. Lion; Milnes, A.G. (1970). Heterojunkce a spojení kov-polovodič. New York City a Londýn: Akademický tisk., ISBN 0-12-498050-3. Trochu datovaný odkaz na aplikace, ale vždy dobrý úvod do základních principů zařízení heterojunction.
R. Tsu; F. Zypman (1990). „Nové poznatky z fyziky rezonančního tunelování“. Věda o povrchu. 228 (1–3): 418. Bibcode:1990SurSc.228..418T. doi:10.1016/0039-6028(90)90341-5.

[1] Smith, C.G (1996). „Nízkodimenzionální kvantová zařízení“. Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 235282, str. 244.

[GeimGrigorieva2013-2] Geim, A. K .; Grigorieva, I. V. (2013). „Van der Waalsovy heterostruktury“. Příroda. 499 (7459): 419–425. arXiv:1307.6718. doi:10.1038 / příroda12385. ISSN 0028-0836. PMID 23887427. S2CID 205234832.

[3] Okuda, Koji; Okamoto, Hiroaki; Hamakawa, Yoshihiro (1983). „Amorfní Si / polykrystalický Si skládaný solární článek s více než 12% účinností konverze“. Japonský žurnál aplikované fyziky. 22 (9): L605 – L607. doi:10.1143 / JJAP.22.L605.

[4] Yamamoto, Kenji; Yoshikawa, Kunta; Uzu, Hisashi; Adachi, Daisuke (2018). "Vysoce účinné heterojunkční krystalické Si solární články". Japonský žurnál aplikované fyziky. 57 (8S3): 08RB20. doi:10,7567 / JJAP.57.08RB20.

[5] Kroemer, H. (1963). "Navrhovaná třída vstřikovacích laserů s hetero-spojem". Sborník IEEE. 51 (12): 1782–1783. doi:10.1109 / PROC.1963.2706.

[6] Ihn, Thomas (2010). "kap. 5.1 Pásmové inženýrství". Polovodičové nanostruktury Kvantové stavy a elektronická doprava. Spojené státy americké: Oxford University Press. str.66. ISBN 9780199534432.

[7] J. Tersoff (1984). "Teorie polovodičových heterojunkcí: Role kvantových dipólů". Fyzický přehled B. 30 (8): 4874–4877. Bibcode:1984PhRvB..30.4874T. doi:10.1103 / PhysRevB.30.4874.

[pallab-8] Pallab, Bhattacharya (1997), Semiconductor Optoelectronic Devices, Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7

[9] Adachi, Sadao (01.01.1993). Vlastnosti arsenidu hlinitého a gália. ISBN 9780852965580.

[Debbar-10] A ^b Debbar, N .; Biswas, Dipankar; Bhattacharya, Pallab (1989). "Posunutí pásma vodivosti v pseudomorfních kvantových jamkách InxGa1-xAs / Al0.2Ga0.8As (0,07≤x≤0,18) měřeno přechodnou spektroskopií na hluboké úrovni". Fyzický přehled B. 40 (2): 1058. Bibcode:1989PhRvB..40.1058D. doi:10.1103 / PhysRevB.40.1058. PMID 9991928.

[11] Conley, J .; Duke, C .; Mahan, G .; Tiemann, J. (1966). „Tunelování elektronů v kovových polovodičových bariérách“. Fyzický přehled. 150 (2): 466. Bibcode:1966PhRv..150..466C. doi:10.1103 / PhysRev.150.466.

[12] Bendaniel, D .; Duke, C. (1966). „Vliv vesmírného náboje na tunelování elektronů“. Fyzický přehled. 152 (2): 683. Bibcode:1966PhRv..152..683B. doi:10.1103 / PhysRev.152.683.

[13] Griffiths, David J. (2004). Úvod do kvantové mechaniky (2. vyd.). Prentice Hall. ISBN 0-13-111892-7

[14] Ivanov, Sergei A .; Piryatinski, Andrei; Nanda, Jagjit; Tretiak, Sergei; Zavadil, Kevin R .; Wallace, William O .; Werder, Don; Klimov, Victor I. (2007). „Nanokrystaly jádra / skořápky CdS / ZnSe typu II: syntéza, elektronické struktury a spektroskopické vlastnosti“. Journal of the American Chemical Society. 129 (38): 11708–19. doi:10,1021 / ja068351m. PMID 17727285.

[Robel-15] A ^b ^C Robel, István; Kuno, Masaru; Kamat, Prashant V. (2007). „Injekce elektronů závislých na velikosti z nadšených kvantových bodů CdSe do částic nanočástic TiO2“. Journal of the American Chemical Society. 129 (14): 4136–7. doi:10.1021 / ja070099a. PMID 17373799.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]