Жолақ офсеті - Band offset

Жолақ офсеті салыстырмалы туралануын сипаттайды энергия диапазондары жартылай өткізгіште гетерохункция.

Кіріспе

Жартылай өткізгішті гетерожелістерде екі түрлі материалдардың энергия жолақтары бірігіп, өзара әрекеттесуге әкеледі. Екі жолақ құрылымы бір-бірінен үзіліссіз орналасады, бұл олардың интерфейске жақын туралануын тудырады. Бұл Фермидің энергия деңгейі екі жартылай өткізгіш бойында үздіксіз болып тұруы үшін жасалады. Бұл теңестіру жартылай өткізгіштердің бір-бірімен салыстырғандағы үзілісті жолақ құрылымдарынан және екі беттің интерфейстегі өзара әрекеттесуінен туындайды. Осындай жартылай өткізгіш гетероөңілістердегі энергия жолақтарының салыстырмалы туралануы деп аталады Жолақ офсеті.

Жолақ ығысуларын ішкі қасиеттермен де анықтауға болады, яғни сусымалы материалдардың қасиеттерімен, сонымен қатар ішкі емес қасиеттермен, атап айтқанда интерфейстің ерекше қасиеттерімен анықталады. Интерфейс түріне байланысты ығысуларды ішкі деп өте дәл қарастыруға болады немесе интерфейстік құрылымды манипуляциялау арқылы өзгертуге болады.[1] Изовалентті гетерожабдықтар, әдетте, фазааралық құрылымды манипуляциялауға сезімтал емес, ал гетеровалентті гетерожүзілістерге олардың диапазондық ығысуларына геометрия, бағдар және интерфейстің байланыстары және гетеровалентті байланыстар арасындағы зарядтың тасымалы әсер етуі мүмкін.[2] Жолақ ығысулары, әсіресе гетеровалентті гетерожеліністердегі интерфейс зарядының үлестірілуіне байланысты.

Жолақ ығысуы интерфейс факторларының екі түрімен, жолақтың үзілістерімен және кіріктірілген әлеуетімен анықталады. Бұл үзілістер жартылай өткізгіштердің өткізгіштік саңылауларының айырмашылығынан туындайды және екі жолақты үзіліс, валенттік-диапазондық үзіліс және өткізгіштік-зоналық үзіліс арасында бөлінеді. Кірістірілген потенциал екі жартылай өткізгіш арасындағы заряд теңгерімсіздігі салдарынан интерфейске жақын иілген жолақтардан туындайды және оны Пуассон теңдеуімен сипаттауға болады.

Жартылай өткізгіш түрлері

Мұнда жартылай өткізгіштердегі гетероонекциялардың әртүрлі типтері көрсетілген. I типте екінші жартылай өткізгіштің өткізгіштік диапазоны біріншісінен төмен, ал оның валенттік диапазоны біріншіге қарағанда жоғары. Нәтижесінде бірінші жартылай өткізгіштің өткізгіштік саңылауы екінші жартылай өткізгіштің өткізгіштік саңылауынан үлкенірек болады. II типте екінші жартылай өткізгіштің өткізгіштік және валенттік зоналар бірінші жартылай өткізгіштікке қарағанда төмен. Бұл сатылы саңылауда екінші жартылай өткізгіштің өткізгіштік саңылауы бірінші жартылай өткізгіштен кіші болумен шектелмейді, дегенмен екінші жартылай өткізгіштің саңылауы әлі жартылай бірінші жартылай өткізгіште болады. Алайда III типте екінші жартылай өткізгіштің өткізгіштік диапазоны бірінші жартылай өткізгіштің валенттік жолымен қабаттасады. Бұл қабаттасудың арқасында интерфейсте тыйым салынған энергиялар болмайды, ал екінші жартылай өткізгіштің өткізгіштік аралығы енді біріншінің жолақты аралықтарымен қамтылмайды.

Жартылай өткізгіштің гетерожеліністерінің әрекеті интерфейстегі энергия диапазондарының туралануына және осылайша жолақ ығысуларына байланысты. Мұндай гетерожелістердің интерфейстерін үш түрге жатқызуға болады: штрихтеу аралығы (I тип деп аталады), сатылы аралық (II тип) және сынған алшақтық (III тип).

Бұл көріністер жолақты иілуді ескермейді, бұл интерфейстің өзіне ғана қарасаңыз, ақылға қонымды болжам болып табылады, өйткені жолақты иілу әсерін жалпы алғанда жүздеген ангстремнің ұзындық шкаласына әсер етеді. Қалыптасқан жағдайды дәлірек бейнелеу үшін жолақты иілуді қосу маңызды.

І типті туралаудың осы гетероинукциясында кірістірілген potentialbi = Φ (A) + Φ (B) потенциалын анық көруге болады. Жолақ саңылауының айырмашылығы (Eg = Eg (A) - Eg (B) екі үзіліс арасында бөлінеді, ΔEv және ΔEc $. Түзулерде, әдетте, энергияның минимумы жоғары өткізгіштік жолдың жоғары, ал энергияның максимумы аз болатын валенттік жолдың жоғарыға қарай иілу жағдайлары болады. Тегістеудің бұл түрінде А жартылай өткізгіштің екі жолағы да жоғары, ал В жартылай өткізгіштің екі жолағы да төмен қарай иіледі деген сөз. Кірістірілген потенциалдан туындаған жолақты иілу Ферми деңгейінің интерфейс позициясымен анықталады және бұл деңгейдің болжалуы немесе өлшенуі металл-жартылай өткізгіш интерфейстеріндегі Шоттки тосқауылының биіктігімен байланысты. Сусымалы материалдың допингіне байланысты жолақты иілу мыңдаған ангстромға немесе допингке байланысты елуге ғана жетуі мүмкін. Екінші жағынан, үзілістер ең алдымен күрт интерфейстің электростатикалық потенциалдық градиенттеріне байланысты, ұзындығы шкаласында идеал бойынша бір атомдық планетааралық аралықта жұмыс істейді және қолданылатын допингке тәуелді емес.

Тәжірибелік әдістер

Жолақ ығысуын сипаттау үшін эксперименттік техниканың екі түрі қолданылады. Біріншісі - көне әдіс, гетеро-функцияны кіріктірілген потенциал мен жолақтағы үзілістерді зерттейтін алғашқы әдіс. Бұл әдістер көбінесе көлік әдістері деп аталады. Бұл әдістер сыйымдылық кернеуі (C-V) немесе ток кернеуі (I-V) әдістері болып екі класстан тұрады. Бұл ескі әдістер C сыйымдылығына квадрат түбірге тәуелділікті ескере отырып, кіріктірілген әлеуетті алу үшін қолданылды. би - кв би кіріктірілген потенциал, q электрон заряды және V қолданылатын кернеу. Егер интерфейстен тыс жолақ экстремасы, сондай-ақ Ферми деңгейінің арақашықтығы белгілі параметрлер болса, үйінді допингтен априори белгілі болса, өткізгіштік диапазоны мен валенттік диапазонының ығысуын алуға болады. Бұл квадрат түбірге тәуелділік интерфейстегі күрт ауысуға сәйкес келеді және ол нақты қосылыстың мінез-құлқына жақындауы мүмкін немесе болмауы мүмкін.[1]

Техниканың екінші түрі оптикалық әдістерден тұрады. Фотонды сіңіру тиімді қолданылады, өйткені өткізгіштік және валенттік диапазонның үзілістері электрондар мен саңылаулар үшін кванттық ұңғымаларды анықтайды. Оптикалық әдістерді кванттық ұңғымалар ішіндегі ішкі диапазондар арасындағы тікелей өтулерді зондтау үшін қолдануға болады, ал құрылымның геометриясы және тиімді масса сияқты бірнеше параметрлері белгілі болған кезде, эксперименталды түрде өлшенген ауысу энергиясын ұңғыманы зондтау үшін пайдалануға болады. тереңдік. Жолақты ығысу мәндері әдетте белгілі бір геометриялық параметрлер немесе қолданылатын магнит өрісінің қарқындылығы функциясы ретінде оптикалық реакция көмегімен бағаланады. Жеңіл шашырауды ұңғыма тереңдігінің мөлшерін анықтауға да қолдануға болады.

Туралау

Жолақты туралауды болжау гетерожункция түріне байланысты номиналды мәнге байланысты, сондай-ақ қарастырылып отырған гетероонцияның гетеровалентті немесе изовалентті екендігіне байланысты. Алайда, бұл теңестіруді сандық тұрғыдан анықтау ұзақ уақыт бойы қиын тапсырманы дәлелдеді. Андерсон ережесі екі жартылай өткізгіштер арасындағы гетеродосылыстардағы энергия диапазондарының диаграммаларын құру үшін қолданылады. Онда энергия диапазонының диаграммасын құру кезінде гетероөткелдің екі жағындағы жартылай өткізгіштердің вакуум деңгейлері тең болуы керек екендігі айтылған.[1]

413.991x413.991px

Андерсон ережесі бойынша, біз гетеродукцияны құрған кезде, вакуумдық энергия деңгейінде бірдей жартылай өткізгіштер болуы керек. Бұл екі жартылай өткізгіштің де энергия диапазонының бір сілтеме нүктесінде ұсталуын қамтамасыз етеді, одан ΔEc және ΔEv, өткізгіштік диапазонының ығысуын және валенттік диапазонының ығысуын есептеуге болады. Екі жартылай өткізгіш үшін бірдей сілтеме нүктесі бола отырып, ΔEc кіріктірілген әлеуетке теңеседі, Vби = Φ1 - Φ2және интерфейстегі жолақтардың әрекетін жоғарыдағы суреттен көруге болатындай болжауға болады.

Андерсон ережесі нақты жолақ ығысуын болжай алмайды. Бұл, ең алдымен, Андерсонның моделі материалдардың үлкен вакуум қашықтығымен бөлінгендей әрекет етеді деп болжанатындығымен байланысты, дегенмен бұл кеңістікті толтыратын қатты денелерден тұратын гетероспектілерде вакуум болмайды және пайдалану вакуумдағы электрондардың жақындығы дұрыс емес нәтижелерге әкеледі. Андерсон ережесі шағын вакуумды бөлуге немесе болмайтын вакуумды бөлуге болатын нақты химиялық байланыс әсерін елемейді, бұл жолақты ығысу туралы дұрыс емес болжамдарға әкеледі.

Жолақ ығысуын болжаудың жақсы теориясы сызықтық реакция теориясы болды. Бұл теорияда интерфейстік дипольдер жартылай өткізгіштер жолақтарын қатарлауға айтарлықтай әсер етеді. Бұл интерфейстік дипольдер иондар емес, керісінше, олар көлем мен интерфейс арасындағы заряд тығыздығының айырмашылығына негізделген математикалық құрылымдар. Сызықтық-жауап теориясы кванттық-механикалық теңдеулерді шешуге бағытталған, эксперименттің қорытындысынсыз есептелетін бірінші принциптерге негізделген. Бұл теорияда диапазонның жылжуы екі мүшенің қосындысы болып табылады, бірінші мүше меншікті және тек көлемдік қасиеттерге тәуелді, екінші мүше изовалентті және кенеттен полярлы емес гетеродеректер үшін жоғалады, интерфейс геометриясына тәуелді және геометрия белгілі болғаннан кейін, сондай-ақ белгілі бір шамалармен оңай есептеледі (мысалы, тор параметрлері).

Модельдің мақсаты - екі жартылай өткізгіштің арасындағы айырмашылықты, яғни таңдалған оңтайлы орташаға қатысты айырмашылықты модельдеуге тырысу (оның жолақты ығысуға қосқан үлесі жоғалып кетуі керек). Мысал ретінде оны Al виртуалды кристалынан құрастыратын GaAs-AlAs келтіруге болады0.5Га0.5Сол кезде, интерфейсті енгізу. Осыдан кейін кристалды таза GaA-ға айналдыру үшін тербеліс қосылады, ал екінші жағынан, бұзылу кристалды таза AlAs-ке айналдырады. Бұл толқулар жеткілікті аз, сондықтан оларды сызықтық-жауап теориясымен өңдеуге болады және интерфейстегі электростатикалық потенциалдар тізбегін зарядтың тығыздығынан сол локализацияланған тербелістерге бірінші реттіге дейін алуға болады. Сызықтық реакция теориясы потенциалы ұқсас GaAs-AlAs сияқты жартылай өткізгіштер үшін, сондай-ақ ұқсас емес потенциалдармен (мысалы, GaAs-Ge) жақсы жұмыс істейді, бұл алдымен күмәнданды. Алайда сызықтық реакция теориясы бойынша жасалған болжамдар бірінші принциптік есептеулермен дәл сәйкес келеді. Егер интерфейстер полярлы болса немесе үзіліссіз полярлы болса, қосымша әсерлерді ескеру қажет. Бұл қарапайым электростатиканы қажет ететін қосымша терминдер, бұл сызықтық жауап беру тәсіліне кіреді.

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б c A., Franciosi (қазан 1996). Heterojunction жолақтық офсеттік инженерия. Беттік ғылыми есептер. 25-том, 1-нөмір.
  2. ^ Тунг, Раймонд Т. (2018). «Гетеровалентті жартылай өткізгішті интерфейстердегі зарядтың тығыздығы және жолақты ығысу». Жетілдірілген теория және модельдеу. 1: 1700001. дои:10.1002 / adts.201700001.

Франциоси А .; Ван де Валле Дж. Heterojunction жолақтық офсеттік инженерия, Жер беті туралы есептер, 25 том, 1-нөмір, 1996 ж. Қазан, 1–140 бб

Раймонд Т. Тунг; Лиор; Кроник: Гетеровалентті жартылай өткізгіш интерфейстеріндегі зарядтың тығыздығы мен өткізгіштік ысырмалары; http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adts.201700001/pdf

Сондай-ақ қараңыз