Зонная диаграмма — это энергетическая схема, отображающая взаимное расположение зон проводимости, валентных зон и уровня Ферми в гетероструктуре, образованной на границе раздела двух различных полупроводниковых материалов.
Зонные диаграммы служат фундаментальным инструментом для понимания и прогнозирования электронных и оптических свойств гетероструктур, таких как выравнивание уровней, барьеры для электронов и дырок, эффективное массоперенос, туннелирование и рекомбинация носителей.
В зависимости от относительного положения зон двух материалов выделяют три классических типа выравнивания зон:
Тип I (Ступенчатое выравнивание) В этом случае зоны проводимости и валентные зоны обоих материалов перекрываются так, что зона проводимости материала с меньшей шириной запрещенной зоны находится выше, а валентная зона — ниже по энергии относительно другого материала. Такой тип обеспечивает локализацию электронов и дырок в одном и том же материале, что благоприятно для работы световыпускающих приборов (светодиодов, лазеров).
Тип II (Смещенное выравнивание) Зона проводимости и валентная зона смещены относительно друг друга так, что электроны и дырки локализуются в разных материалах. Это приводит к пространственному разделению носителей заряда, что существенно влияет на процессы рекомбинации и фотогенерации.
Тип III (Разрыв зон) В этом случае зоны проводимости одного материала лежат ниже валентных зон другого, что создает “разрыв” зон — особую ситуацию, применимую, например, в структурах с узкозонными и полуметаллическими материалами.
При формировании гетероструктуры происходит выравнивание уровней химического потенциала (уровня Ферми) по обе стороны интерфейса, что вызывает перестройку зон и образование потенциальных барьеров и ям.
Для построения зонной диаграммы используют модель выравнивания по электронному аффинитету (electron affinity rule), а также учитывают эффекты межфазового перехода, например, наличие межзонных состояний и дипольных слоев.
Определение положения зон относительно вакуумного уровня Используют параметры электронного аффинитета χ и ширины запрещенной зоны Eg каждого материала:
EC = −χ, EV = −(χ + Eg)
где EC — уровень дна зоны проводимости, EV — уровень потолка валентной зоны.
Выравнивание уровней Ферми При контакте двух материалов устанавливается общий уровень Ферми EF. Это вызывает перераспределение зарядов и формирование потенциальных барьеров.
Учет межфазовых эффектов Реальные интерфейсы часто содержат дефекты и примеси, что приводит к локальным состояниям в запрещенной зоне. Это искажет идеализированную картину и может вызвать появление межзонных дипольных слоев.
Барьерные свойства Потенциальные барьеры на интерфейсе определяют транспорт электронов и дырок через гетеропереход. Высота и ширина барьеров напрямую зависят от величин смещения зон.
Локализация носителей В типе I носители заряда локализуются в одном материале, что важно для эффективной рекомбинации. В типе II — происходит пространственное разделение, что увеличивает время жизни носителей и снижает вероятность рекомбинации.
Оптические переходы Перемещение зонных крайних уровней влияет на спектры поглощения и эмиссии, что важно для проектирования фотодетекторов и светодиодов.
Введение донорных или акцепторных примесей меняет положение уровня Ферми, создавая пространственные заряды и электрические поля вблизи интерфейса. Это приводит к изгибу зон — важному эффекту для работы электронных приборов. Изгиб зон влияет на перенос заряда, формирование двумерных электронных и дырочных газов (2DEG/2DHG) и туннельные процессы.
Современные методы моделирования зонных диаграмм включают:
Экспериментальные методы включают:
Точная настройка зонных диаграмм позволяет создавать высокоэффективные гетероструктурные транзисторы, лазеры на полупроводниках, фотодетекторы и солнечные элементы. В тонких пленках и квантовых структурах манипуляция зонными барьерами используется для создания двумерных электронных систем, квантовых точек и других наноструктур с уникальными свойствами.
Зонные диаграммы гетероструктур являются базой для понимания физики и технологии современных полупроводниковых приборов. Глубокое знание энергетических выравниваний и их влияния на процессы переноса заряда и оптические свойства позволяет целенаправленно проектировать новые устройства с заданными характеристиками.