Смещение полосы

Смещение зон описывает относительное выравнивание энергетических зон в полупроводниковом гетеропереходе .

В полупроводниковых гетеропереходах энергетические зоны двух разных материалов сходятся вместе, что приводит к взаимодействию. Обе зонные структуры расположены прерывисто друг относительно друга, заставляя их выравниваться близко к интерфейсу. Это делается для того, чтобы гарантировать, что уровень энергии Ферми остается непрерывным во всех двух полупроводниках. Это выравнивание вызвано прерывистыми зонными структурами полупроводников по сравнению друг с другом и взаимодействием двух поверхностей на интерфейсе. Это относительное выравнивание энергетических зон в таких полупроводниковых гетеропереходах называется смещением зон .

Смещения зон могут определяться как внутренними свойствами, то есть определяемыми свойствами объемных материалов, так и несобственными свойствами, а именно, специфическими свойствами интерфейса. В зависимости от типа интерфейса смещения можно очень точно считать внутренними или их можно изменять путем манипулирования структурой интерфейса. ^[1] Изовалентные гетеропереходы, как правило, нечувствительны к манипулированию структурой интерфейса, в то время как гетеровалентные гетеропереходы могут зависеть от смещения зон геометрией, ориентацией и связями интерфейса, а также переносом заряда между гетеровалентными связями. ^[2] Смещения зон, особенно в гетеровалентных гетеропереходах, существенно зависят от распределения заряда интерфейса.

Смещения зон определяются двумя типами факторов для интерфейса: разрывами зон и встроенным потенциалом. Эти разрывы вызваны разницей в запрещенных зонах полупроводников и распределены между двумя разрывами зон: разрывом валентной зоны и разрывом зоны проводимости. Встроенный потенциал вызван зонами, которые изгибаются близко к интерфейсу из-за дисбаланса зарядов между двумя полупроводниками, и может быть описан уравнением Пуассона.

Поведение полупроводниковых гетеропереходов зависит от выравнивания энергетических зон на интерфейсе и, следовательно, от смещения зон. Интерфейсы таких гетеропереходов можно разделить на три типа: straddling gap (называемый типом I), staggered gap (типом II) и broken gap (типом III).

Эти представления не учитывают изгиб зон, что является разумным предположением, если вы смотрите только на сам интерфейс, поскольку изгиб зон оказывает свое влияние на масштаб длины, как правило, в сотни ангстрем. Для более точной картины рассматриваемой ситуации включение изгиба зон важно.

Для описания смещений зон используются два вида экспериментальных методов. Первый — более старый метод, первый метод для исследования встроенного потенциала гетероперехода и разрывов зон. Эти методы обычно называются транспортными методами. Эти методы состоят из двух классов: либо методы емкость-напряжение (CV), либо методы ток-напряжение (IV). Эти более старые методы использовались для извлечения встроенного потенциала, предполагая зависимость квадратного корня для емкости C от _bi - qV, где _bi — встроенный потенциал, q — заряд электрона, а V — приложенное напряжение. Если экстремумы зон вдали от интерфейса, а также расстояние между уровнями Ферми являются известными параметрами, известными априори из объемного легирования, становится возможным получить смещение зоны проводимости и смещение валентной зоны. Эта зависимость квадратного корня соответствует идеально резкому переходу на интерфейсе, и она может быть или не быть хорошим приближением реального поведения перехода. ^[1]${\displaystyle \Фи}$${\displaystyle \Фи}$

Второй вид техники состоит из оптических методов. Поглощение фотонов эффективно используется, поскольку разрывы зоны проводимости и валентной зоны определяют квантовые ямы для электронов и дырок. Оптические методы могут использоваться для исследования прямых переходов между подзонами внутри квантовых ям, и при наличии нескольких известных параметров, таких как геометрия структуры и эффективная масса, экспериментально измеренная энергия перехода может использоваться для исследования глубины ямы. Значения смещения полосы обычно оцениваются с использованием оптического отклика как функции определенных геометрических параметров или интенсивности приложенного магнитного поля. Рассеяние света также может использоваться для определения размера глубины ямы.

Прогнозирование выравнивания зон по сути зависит от типа гетероперехода, а также от того, является ли рассматриваемый гетеропереход гетеровалентным или изовалентным. Однако количественная оценка этого выравнивания долгое время была сложной задачей. Правило Андерсона используется для построения диаграмм энергетических зон на гетеропереходах между двумя полупроводниками. Оно гласит, что при построении диаграммы энергетических зон уровни вакуума полупроводников по обе стороны гетероперехода должны быть равны. ^[1]

Правило Андерсона гласит, что при построении гетероперехода нам необходимо иметь оба полупроводника на одинаковом уровне энергии вакуума. Это гарантирует, что энергетические зоны обоих полупроводников будут удерживаться в одной и той же точке отсчета, из которой можно вычислить ΔE _c и ΔE _{v , смещение зоны проводимости и смещение валентной зоны. При наличии одной и той же точки отсчета для обоих полупроводников ΔE c} становится равным встроенному потенциалу, V _bi = Φ ₁ - Φ ₂ , и поведение зон на интерфейсе можно предсказать, как показано на рисунке выше.

Правило Андерсона не может предсказать реальные смещения зон. Это в первую очередь связано с тем, что модель Андерсона подразумевает, что материалы ведут себя так же, как если бы они были разделены большим вакуумным расстоянием, однако в этих гетеропереходах, состоящих из твердых тел, заполняющих пространство, вакуум отсутствует, и использование сродства электронов в вакууме приводит к неверным результатам. Правило Андерсона игнорирует фактические эффекты химической связи, которые возникают при небольшом вакуумном разделении или несуществующем вакуумном разделении, что приводит к неверным прогнозам относительно смещений зон.

Лучшей теорией для предсказания смещений зон была теория линейного отклика. В этой теории интерфейсные диполи оказывают значительное влияние на выстраивание зон полупроводников. Однако эти интерфейсные диполи не являются ионами, а скорее математическими конструкциями, основанными на разнице плотности заряда между объемом и интерфейсом. Теория линейного отклика основана на расчетах из первых принципов, которые являются расчетами, направленными на решение квантово-механических уравнений без ввода из эксперимента. В этой теории смещение зон является суммой двух членов, первый член является внутренним и зависит исключительно от свойств объема, второй член, который исчезает для изовалентных и резких неполярных гетеропереходов, зависит от геометрии интерфейса и может быть легко рассчитан, если известна геометрия, а также определенные величины (такие как параметры решетки).

Цель модели — попытаться смоделировать разницу между двумя полупроводниками, то есть разницу относительно выбранного оптимального среднего (чей вклад в смещение зоны должен исчезнуть). Примером может служить GaAs-AlAs, построенный из виртуального кристалла Al _0,5 Ga _0,5 As, а затем введение интерфейса. После этого добавляется возмущение, превращающее кристалл в чистый GaAs, в то время как с другой стороны возмущение преобразует кристалл в чистый AlAs. Эти возмущения достаточно малы, чтобы с ними можно было справиться с помощью теории линейного отклика, и затем можно получить выстраивание электростатического потенциала через интерфейс до первого порядка из отклика плотности заряда на эти локализованные возмущения. Теория линейного отклика хорошо работает для полупроводников с похожими потенциалами (такими как GaAs-AlAs), а также для разнородных потенциалов (таких как GaAs-Ge), что поначалу вызывало сомнения. Однако предсказания, сделанные теорией линейного отклика, в точности совпадают с предсказаниями самосогласованных расчетов первого принципа. Однако, если интерфейсы полярны или нерезко неполярно ориентированы, необходимо учитывать дополнительные эффекты. Это дополнительные термины, которые требуют простой электростатики, которая находится в рамках подхода линейного отклика.

• Физика