ヘテロ接合

ヘテロ接合とは、異なる半導体の2つの層または領域間の界面のことです。これらの半導体材料は、同種接合とは異なり、バンドギャップが異なります。半導体レーザー、太陽電池、トランジスタなど、多くの固体デバイス用途では、電子エネルギーバンドを設計することが有利になる場合がよくあります。デバイス内で複数のヘテロ接合を組み合わせたものをヘテロ構造と呼びますが、この2つの用語は一般的に互換的に使用されます。各材料がバンドギャップの異なる半導体であるという要件は、特に電子特性が空間特性に依存する小さな長さスケールでは、やや緩やかです。ヘテロ接合のより現代的な定義は、金属、絶縁体、高速イオン伝導体、半導体材料の結晶構造と非晶質構造を含む、任意の2つの固体材料間の界面です。

ヘテロ接合の製造には、一般的に、堆積厚さを精密に制御し、きれいに格子整合した急峻な界面を作成するために、分子線エピタキシー（MBE）^{[ 1 ]}または化学気相成長（CVD）技術の使用が必要です。最近研究されている代替手段として、層状材料を機械的に積層してファンデルワールスヘテロ構造を形成する方法があります。^{[ 2 ]}

高価ではあるものの、ヘテロ接合は、その独自の特性が不可欠となる様々な特殊な用途で利用されている。

• 太陽電池：一部の太陽電池構造では、結晶シリコン基板（バンドギャップ 1.1 eV）と非晶質シリコン薄膜（バンドギャップ 1.7 eV）の界面にヘテロ接合が形成されます。 ^{[ 3 ]}ヘテロ接合は、p-n接合と同様の方法で電荷キャリアを分離するために使用されます。ヘテロ接合型薄膜（HIT）太陽電池構造は、1983年に初めて開発され^{[ 4 ]} 、三洋電機/パナソニックによって商品化されました。HIT太陽電池は現在、変換効率26.7%で最も効率的な単接合シリコン太陽電池の記録を保持しています。^{[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]}
• レーザー：レーザーにヘテロ接合を用いるというアイデアは、この分野の著名な科学者であるハーバート・クローマーが^、ヘテロ構造によって反転分布を大幅に強化できると示唆した1963年に初めて提案されました[7]。AlAsのようなバンドギャップの大きい2つの層の間にGaAsのような直接バンドギャップの小さい材料を組み込むことで^、キャリアを^{閉じ込める}ことができ、室温で低い閾値電流でレーザー発振が可能になります。ヘテロ構造製造の材料科学がクローマーのアイデアに追いつくまでには何年もかかりましたが、今では業界標準となっています。その後、量子井戸ヘテロ構造における量子サイズ効果を利用することでバンドギャップを制御できることが発見されました。さらに、ヘテロ構造は界面で発生する屈折率段差への導波路として使用でき、半導体レーザーでの使用におけるもう1つの大きな利点となっています。CDやDVDプレーヤー、光ファイバー送受信機で使用される半導体ダイオードレーザーは、さまざまなIII-V族およびII-VI族化合物半導体の交互の層を使用してレーザー発振ヘテロ構造を形成して製造されています。
• バイポーラトランジスタ：ヘテロ接合をバイポーラ接合トランジスタのベース・エミッタ接合として使用すると、非常に高い順方向利得と低い逆方向利得が得られます。これは、非常に優れた高周波動作（数十GHzから数百GHzの値）と低いリーク電流につながります。このデバイスはヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）と呼ばれます。
• 電界効果トランジスタ：ヘテロ接合は、500GHzを超える非常に高い周波数で動作可能な高電子移動度トランジスタ （HEMT）に用いられます。適切なドーピングプロファイルとバンドアライメントにより、ドーパントを含まない領域内に二次元の電子ガスが形成され、散乱がほとんど起こらないため、極めて高い電子移動度が得られます。
• 触媒作用：ヘテロ接合を光触媒として使用すると、単一金属酸化物よりもCO2光還元、H2生成、水中の汚染物質の光​​分解において優れた性能を示すことが実証されています_。 [ ₈ ]^{ヘテロ接合の}性能は、酸素空孔の導入、結晶面エンジニアリング、または炭素材料の導入によってさらに向上させることができます。

半導体接合の挙動は、界面におけるエネルギーバンドの配置に大きく依存する。半導体界面は、図に示すように、ストラッピングギャップ（タイプI）、スタッガードギャップ（タイプII）、またはブロークンギャップ（タイプIII）の3種類のヘテロ接合に分類できる。 ^{[ 9 ]}接合部から離れた場所では、ポアソン方程式を解く通常の手順に基づいてバンドの曲がりを計算できる。

バンドの配置を予測するための様々なモデルが存在する。

• 最も単純な（そして最も精度が低い）モデルはアンダーソン則であり、これは真空-半導体界面の特性（特に真空電子親和力）に基づいてバンドアライメントを予測する。主な限界は、化学結合を無視している点である。
• 価電子帯は陰イオン状態に関係しているため、同じ陰イオンを持つ材料は価電子帯のオフセットが非常に小さいはずだという、共通の陰イオン規則が提唱された。しかし、これはデータを説明するものではなく、異なる陰イオンを持つ2つの材料は伝導帯のオフセットよりも価電子帯のオフセットが大きい傾向があるという傾向と関連している。
• Tersoff ^{[ 10 ]}は、より一般的な金属-半導体接合に基づいてギャップ状態モデルを提案しました。このモデルでは、伝導帯オフセットはショットキー障壁高さの差によって与えられます。このモデルには、一方の材料の伝導帯から他方の材料のギャップへの電子トンネル効果によって生じる、2 つの半導体間の界面にある双極子層が含まれています (金属誘起ギャップ状態に類似)。このモデルは、 GaAs / AlGaAsのように両方の材料が格子整合しているシステムとよく一致します^{[ 11 ]}。
• 60:40ルールは、半導体GaAsと合金半導体Al _x Ga _{1− x} Asの接合という特定のケースに対する経験則です。Al _x Ga _{1− x} As側のxを0から1まで変化させると、比率は${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}}$60/40 の値を維持する傾向がある。比較のために、アンダーソンのルールは次のように予測する。${\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}=0.73/0.27}$GaAs/AlAs接合の場合（x = 1）。^{[ 12 ] [ 13 ]}

バンドオフセットを測定する一般的な方法は、発光スペクトル中の励起子エネルギーを測定することによって計算することです。^{[ 13 ]}

2つの異なる半導体によってヘテロ接合が形成されると、バンド構造の違いにより量子井戸を作製することができる。得られた量子井戸内の静的エネルギー準位を計算するには、ヘテロ接合全体にわたる有効質量の変動または不一致を理解することが重要となる。ヘテロ接合で定義される量子井戸は、幅が有限の井戸ポテンシャルとして扱うことができる。${\displaystyle l_{w}}$さらに、1966年にConleyら^{[ 14 ]}とBenDanielとDuke ^{[ 15 ]}は、量子井戸におけるエンベロープ関数の境界条件、すなわちBenDaniel-Duke境界条件を報告した。彼らによれば、作製された量子井戸におけるエンベロープ関数は、以下の境界条件を満たさなければならない。${\displaystyle \psi (z)}$そして${\displaystyle {\frac {1}{m^{*}}}{\partial \over {\partial z}}\psi (z)\,}$両者とも界面領域では連続している。

量子ドットでは^、量子サイズ効果によりバンドエネルギーが結晶サイズに依存します。これにより^{、ナノスケールヘテロ構造におけるバンドオフセットエンジニアリングが}可能になります。同じ材料を使用しながら、関係する結晶のサイズや厚さを変更することで、例えばストラドル型（タイプI）からスタッガード型（タイプII）への接合タイプの変更が可能です[17]。最も一般的なナノスケールヘテロ構造システムは、ストラドル型ギャップ（タイプI）オフセットを持つCdSe上のZnS （CdSe@ZnS）です。このシステムでは、バンドギャップがはるかに大きいZnSが蛍光性CdSeコアの表面をパッシベーションし、発光の量子効率を高めます。ZnSシェルのバンドギャップが大きいことから示唆されるように、ZnSシェル内の結合が強いため、熱安定性が向上するという利点もあります。CdSeとZnSはどちらも閃亜鉛鉱型結晶相で成長し、格子定数が近いため、コアシェル成長が好ましいです。他のシステムや異なる成長条件下では、右の画像に見られるような異方性構造を成長させることが可能かもしれない。

これらの構造における伝導帯間の電荷移動の原動力は、^{伝導帯オフセットである。 [ 18 ]} Robelらは、^TiO2上_に成長させたCdSeナノ結晶のサイズを小さくすることで、電子がより高いCdSe伝導帯からTiO2へより速く移動することを発見した_{。CdSeでは}^、量子サイズ効果は価電子帯よりも有効質量が小さいため伝導帯でより顕著であり、これはほとんどの半導体の場合である。したがって、伝導帯オフセットの設計は、通常、ナノスケールヘテロ接合ではるかに容易である。スタッガード（タイプII）オフセットナノスケールヘテロ接合では、正孔の最低エネルギー状態が接合部の片側にあり、電子の最低エネルギーが反対側にあるため、光誘起電荷分離が発生する可能性がある。異方性スタッガードギャップ（タイプII）ナノスケールヘテロ接合は、光触媒、特に太陽エネルギーによる水の分解に使用できると示唆されている^{[ 18 ] 。}

• ホモ接合、p-n接合― 同じ種類の半導体2種類が関わる接合。
• 金属-半導体接合― 金属と半導体の接合部。

• ウィキメディア・コモンズにあるヘテロ接合バンド図に関連するメディア