Heterounión

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A heterounión es la interfaz que se produce entre dos capas o regiones de disímiles cristalino semiconductores. Estos materiales semiconductores tienen desigual lagunas de banda a diferencia de un homojunction. A menudo es ventajoso para las bandas de energía electrónica en muchas aplicaciones para dispositivos de estado sólido como transistores, células solares y láseres de semiconductor ("heterotransistors") para nombrar unos pocos. La combinación de múltiples heterojunctions juntos en un dispositivo se llama un heteroestructura Aunque los dos términos se utilizan indistintamente. El requisito de que cada material sea un semiconductor con boquetes banda desigual es un poco holgada especialmente en escalas de longitud pequeña donde las propiedades electrónicas dependen de propiedades espaciales. Una definición más moderna de heterounión es la interfaz entre cualquier dos materiales de estado sólidos, incluyendo estructuras cristalinas y amorfas de metálico, aislamiento, conductor iónico rápido y materiales semiconductores.

En el año 2000, la Premio Nobel en la física fue concedida conjuntamente a Herbert Kroemer (Universidad de California, Santa Bárbara, CaliforniaEstados Unidos) y Zhores I. Alferov (Instituto Ioffe, San PetersburgoRusia) para "desarrollar heteroestructuras de semiconductores utilizados en alta velocidad-opto-electrónica y"

Contenido

  • 1 Fabricación y aplicaciones
  • 2 Alineación de la banda de energía
  • 3 Desajuste masa efectiva en heterojunctions
  • 4 Nanoescala heterojunctions
  • 5 Véase también
  • 6 Referencias
  • 7 Lectura adicional

Fabricación y aplicaciones

Fabricación de heterounión generalmente requiere el uso de epitaxia molecular (MBE)[1] o deposición de vapor químico Tecnologías (CVD) para precisamente controlar el espesor de la deposición y crear una interfaz abrupta del enrejado-emparejado limpiamente. MBE y CVD tienden a ser muy complejas y costosas en comparación con el tradicional silicio fabricación de dispositivo.[citación necesitada]

A pesar de su costo, heterojunctions han encontrado uso en una variedad de aplicaciones especializadas donde critican sus características únicas:

  • Lasers:: Uso de heterojunctions en lasers fue propuesto por primera vez[2] en 1963, cuando Herbert Kroemer, un prominente científico en este campo, sugirió que inversión de la población podría mejorarse considerablemente mediante heteroestructuras. Mediante la incorporación de un menor boquete de la venda directa material como GaAs entre dos capas de gap band más grandes como ¡ Ay!, portadores puede limitarse por lo que lasing puede ocurrir en temperatura de la habitación con corrientes de umbral bajo. Tomó muchos años el ciencia de los materiales de heteroestructura fabricación hablar con ideas de Kroemer pero ahora es el estándar de la industria. Más tarde se descubrió que la brecha de banda puede controlarse mediante el aprovechamiento de la efectos del tamaño cuántico en pozo cuántico heteroestructuras. Además, heteroestructuras pueden ser utilizado como guías de onda para el paso de índice que ocurre en la interfase, otra gran ventaja para su uso en láseres de semiconductor. Semiconductor láseres de diodo utilizado en CD y DVD los jugadores y fibra óptica transceptores se fabrican utilizando alternas capas de diversos III-V y II-VI semiconductores compuestos para formar heteroestructuras láser.
  • Transistores bipolares:: Cuando se utiliza una heterounión como la ensambladura del emisor de base de un transistor de ensambladura bipolar, avance extremadamente alta ganancia y el resultado de baja ganancia inversa. Esto se traduce en un funcionamiento muy bueno alta frecuencia (valores en decenas o cientos de GHz) y baja corrientes de fuga. Este dispositivo se llama un transistor bipolar de heterounión (HBT).
  • Transistores de efecto campo:: Heterojunctions se utilizan en transistores de electrones alta movilidad (HEMT) que pueden funcionar en frecuencias significativamente más altas (más de 500 GHz). La adecuada dopaje Perfil y banda alineación da lugar a extremadamente alto movilidades electrón mediante la creación de un gas dos dimensiones del electrón dentro de un región libre dopante donde muy poco dispersión puede ocurrir.

Alineación de la banda de energía

Los tres tipos de semiconductores heterojunctions organizado por la alineación de la banda.
Diagrama de banda para las poblaciones transzonales boquete, n- n semiconductor heterounión en equilibrio.

El comportamiento de un cruce de semiconductores depende fundamentalmente de la alineación de la bandas de energía en la interfaz. Interfaces de semiconductores pueden ser organizadas en tres tipos de heterojunctions: las poblaciones transzonales boquete (tipo I), tambaleó gap (tipo II) o roto brecha (tipo III) como se ve en la figura.[citación necesitada] Lejos del cruce, el banda de flexión puede ser computado según el procedimiento habitual de resolver Ecuación de Poisson.

Existen varios modelos para predecir la alineación de la banda.

  • Es el modelo más simple (y menos preciso) Regla de Anderson, que predice la alineación de la banda basada en las propiedades del vacío-semiconductor interfaces (en particular el vacío afinidad del electrón). La principal limitación es su abandono de la vinculación química.
  • A regla común del anión se propuso que adivina que desde la banda de Valencia está relacionada con Estados aniónicos, materiales con los aniones mismos deben tener Valencia muy pequeña banda compensaciones. Esto sin embargo no explicó los datos sino que se relaciona con la tendencia que dos materiales con diferentes aniones tienden a tener mayor banda de Valencia compensaciones que banda de conducción compensaciones.
  • Tersoff[3] propuso un estado de vacío modelo basado en la más familiar uniones de metal-semiconductor donde el desplazamiento de la banda de conducción está dada por la diferencia de Barrera Schottky altura. Este modelo incluye un dipolo capa en la interfase entre los dos semiconductores que surge de túnel de electrones de la banda de conducción de un material en la ranura de la otra (análogo a brecha metal inducida por Estados). Este modelo está de acuerdo con sistemas donde ambos materiales están estrechamente emparejado enrejado[4] tales como GaAs/AlGaAs.
  • El regla de 60: 40 es una heurística para el caso específico de cruces entre el semiconductor GaAs y el semiconductor de aleación AlxGa1-xComo. Como el x en el AlxGa1-xComo secundarios es variada desde 0 a 1, la relación \Delta E_C/\Delta E_V tiende a mantener el valor 60/40. Para comparación, prevé que la regla de Anderson \Delta E_C / \Delta E_V = 0.73/0.27 para un (cruce de GaAs/AlAsx= 1).[5][6]

El método típico para la medición de las compensaciones de banda es mediante el cálculo de los de medición excitón energías en la luminiscencia Espectros.[6]

Desajuste masa efectiva en heterojunctions

Cuando una heterounión está formado por dos diferentes semiconductores, un pozo cuántico se puede fabricar debido a la diferencia en estructura de banda. Para calcular la estática niveles de energía dentro de la bien lograda cuántica, variación de comprensión o desajuste de la masa efectiva a través de la heterounión llega a ser sustancial. El quantum definido en el heterounión puede ser tratado como un potencial bien finito con la anchura de l_w. Además de eso, en 1966, Conley et al.[7] y BenDaniel y Duque[8] registrados condición de frontera para el función envolvente en pozo cuántico, conocido como condición de límite BenDaniel-Duke. Según ellos, la función envolvente en cuántica fabricado debe satisfacer bien condición de límite que establece \psi (z) , {\frac {1} {m^*} }{\partial \over {\partial z}} \psi (z) \, Ambos son continuos en las regiones de interfaz.

Nanoescala heterojunctions

Imagen de una heterounión nanoescala entre el óxido de hierro (Fe 3O 4— esfera) y sulfuro de cadmio (CdS — varilla) con un TEM. Este cruce de compensación escalonada boquete (tipo II) fue sintetizada por Hunter McDaniel y Dr. Moonsub Shim en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en 2007.

En puntos cuánticos las energías de banda dependen del tamaño de los cristales debido a la efectos del tamaño cuántico. Esto permite banda offset Ingeniería en heteroestructuras de nanoescala. Es posible[10] para utilizar los mismos materiales pero cambio el tipo de cruce, decir de las poblaciones transzonales (tipo I) a tresbolillo (tipo II), cambiando el tamaño o el grosor de los cristales involucrados. Es el sistema más común de la heteroestructura de nanoescala ZnS en CdSe (CdSe@ZnS) que ha una brecha extensibles (tipo I) compensado. En este sistema el mucho más grande boquete de la venda ZnS apacigua la superficie de la fluorescente CdSe núcleo aumentando la eficiencia cuántica de la luminiscencia. Hay un bono adicional de aumento estabilidad termal debido a la fuerte bonos en el shell de ZnS según lo sugerido por su más grande banda prohibida. Desde CdSe y ZnS ambos crecen en el zincblende fase de cristal y están cerca del enrejado emparejado, núcleo cáscara crecimiento es preferido. En otros sistemas o bajo diferentes condiciones de crecimiento es posible crecer anisotrópico estructuras como la que se ve en la imagen de la derecha.

Se ha demostrado[11] que la fuerza motriz para transferencia de la carga entre bandas de conducción en estas estructuras es el desplazamiento de la banda de conducción. Disminuyendo el tamaño de CdSe nanocristales cultivadas en TiO2Robel et al.[11] encontró que los electrones transfieren más rápido de la banda de conducción superior CdSe en TiO2. En CdSe el efecto tamaño cuántico es mucho más pronunciado en la banda de conducción debido a la menor masa efectiva que en la banda de Valencia, y éste es el caso con la mayoría de los semiconductores. En consecuencia, el desplazamiento de la banda de conducción de la ingeniería es típicamente mucho más fácil con heterojunctions de nanoescala. Para escalonados (tipo II) compensar nanoescala heterojunctions, separación de carga fotoinducida puede ocurrir desde ahí el estado energético más bajo para agujeros puede ser en un lado de la Unión mientras que es la energía más baja para los electrones en el lado opuesto. Se ha sugerido[11] esa brecha escalonadas anisotrópico (tipo II) nanoescala heterojunctions puede usarse para fotocatálisis, específicamente para separación de agua con energía solar.

Véase también

  • Homojunction, p – n cruce— una ensambladura que involucra dos tipos del mismo semiconductor.
  • Cruce de metal – semiconductor— una ensambladura de un metal a un semiconductor.

Referencias

  1. ^ Smith, C.G (1996). "Dispositivos de baja dimensión cuántica". Prog Rep. Phys 59 (1996) pg 235282, 244.
  2. ^ Kroemer, H. (1963). "Clase propuesta de láseres de inyección Unión heterosexual". Actas de la IEEE 51 (12): 1782. Doi:10.1109/PROC.1963.2706.
  3. ^ J. Tersoff (1984). "Teoría de semiconductores heterojunctions: el papel de los dipolos cuántica". Physical Review B 30 (8): 4874. Bibcode:1984PhRvB...30.4874T. Doi:10.1103/PhysRevB.30.4874.
  4. ^ Pallab dispositivos semiconductores optoelectrónicos, Bhattacharya (1997), Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7
  5. ^ ISBN 9780852965580
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  6. ^ a b Debbar, N.; Biswas, Dipankar; Bhattacharya, Pallab (1989). "Banda de conducción compensaciones en pseudomorphic InxGa1-xAs/Al0.2Ga0.8As quantum wells (0.07≤x≤0.18) medidos por espectroscopia transitoria de nivel profundo". Physical Review B 40 (2): 1058. Doi:10.1103/PhysRevB.40.1058. editar
  7. ^ Conley, J.; Duque, C.; Mahan, G.; Tiemann, J. (1966). "El hacer un túnel en las barreras de Metal-Semiconductor electrón". Physical Review 150 (2): 466. Bibcode:1966PhRv...150..466 C. Doi:10.1103/PhysRev.150.466.
  8. ^ Bendaniel, D.; Duque, C. (1966). "Espacio-cargue efectos en electrón un túnel". Physical Review 152 (2): 683. Bibcode:1966PhRv...152..683B. Doi:10.1103/PhysRev.152.683.
  9. ^ Griffiths, David J. (2004). Introducción a la mecánica cuántica (2ª ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-111892-7
  10. ^ Ivanov, Sergei A.; Piryatinski, Andrei; Nanda, Jagjit; Tretiak, Sergei; Zavadil, Kevin R.; Wallace, William O.; Werder, Don; Klimov, Victor I. (2007). "Tipo II Core/Shell CD/ZnSe nanocristales: propiedades espectroscópicas, estructuras electrónicas y síntesis". Journal of the American Chemical Society 129 (38): 11708 – 19. Doi:10.1021/ja068351m. PMID17727285.
  11. ^ a b c ROBEL, István; Kuno, Masaru; Kamat, Prashant V. (2007). "Inyección electrónica dependiente de tamaño de puntos cuánticos CdSe emocionado en TiO2Nanoparticles". Journal of the American Chemical Society 129 (14): 4136 – 7. Doi:10.1021/ja070099a. PMID17373799.

Lectura adicional

  • Bastardo, Gérald (1991). Onda mecánica aplicada a heteroestructuras de semiconductores. Wiley-Interscience. ISBN978-0-470-21708-5.
  • Feucht, D. León; Milnes, A.G. (1970). Uniones de metal-semiconductores y Heterojunctions. Nueva York y Londres: Academic Press., ISBN 0-12-498050-3. Un poco de fecha referencia respecto a las aplicaciones, pero siempre una buena introducción a los principios básicos de heterounión dispositivos.
  • R.Tsu, F.Zypman (1990). Nuevas perspectivas en la física del túnel resonante. Cuestiones de ciencia de superficies, 228, volumen 1-3, año 1990, página 418.

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