异质结

异质结制造通常需要使用分子束外延(MBE)^[1]或者化学气相沉积 (CVD)技术，以便精确控制沉积厚度并产生干净的晶格匹配突变界面。

尽管费用过高，异质结已经在各种特殊应用中得到应用，其中它们的独特特性至关重要:

• 激光器：激光器中使用异质结是在1963年首次提出^[2]，当时该领域的著名科学家赫伯特·克勒默认为，异质结构可以极大地增强粒子数反转。通过在诸如AlAs的两个较大带隙层之间引入较小的直接带隙材料如GaAs，可以限制载流子，使得激光可以在室温下以低阈值电流发生。异构结构制造的材料科学花了很多年才赶上克勒默roemer的想法，但现在它已是行业标准。后来发现通过利用量子阱异质结构中的量子尺寸效应可以控制带隙。此外，异质结构可以用作在界面处发生的折射率步骤的波导，这是它们在半导体激光器中使用的另一个主要优点。用于CD和DVD播放器和光纤收发器的半导体二极管激光器使用各种不同的 III-V 和 II-VI 化合物半导体的交替层制造，以形成激光异质结构。
• 双极晶体管：当异质结用作双极结晶体管的基极-发射极结时，会产生极高的正向增益和低反向增益。这转化为非常好的高频工作(几十到几百千兆赫的值)和低漏电流。这种器件被称为异质结双极晶体管 (HBT)。
• 场效应晶体管：异质结用于高电子迁移率晶体管 (HEMT)，可以在明显更高的频率(超过500 GHz)下工作。适当的掺杂分布和能带对齐通过在无掺杂区内产生二维电子气体，从而产生极高的电子迁移率，而在无掺杂区内几乎不会发生散射。

半导体结的行为主要取决于界面处能带的对齐。如图所示，半导体界面可以分为三种异质结：跨越间隙(第一类)、交错间隙(第二类)或断裂间隙(第三类)^[3]。在远离结点的地方，可以基于求解泊松方程的通常过程来计算带弯曲。

存在各种模型来预测带对齐。

• 最简单(也是最不精确)的模型是安德森规则，它根据真空-半导体界面的性质(特别是真空电子亲和力)预测能带对齐。主要的限制是它忽略了化学键合。
• 普通阴离子规则 被提出，它猜测由于价带与阴离子状态有关，具有相同阴离子的材料应该具有非常小的价带偏移。然而，这并没有解释数据，而是与具有不同阴离子的两种材料倾向于具有比导带偏移更大的价带偏移的趋势相关。
• Tersoff^[4]提议一种基于更熟悉的金属-半导体结的间隙态 模型，其中导带偏移由肖特基势垒高度的差异给出。该模型包括在两个半导体之间的界面处的偶极层，该层源于从一种材料的导带到另一种材料的间隙的电子隧穿(类似于金属诱导的间隙状态)。该模型与两种材料都是紧密晶格匹配的系统很好地吻合^[5]例如GaAs /AlGaAs。
• 60:40规则 对于半导体GaAs和合金半导体铝AlxGa1−xAs之间结的特定情况的一种启发。当AlxGa1-xAs侧的x从0变为1时，比率  倾向于保持值60/40。为了比较，安德森的规则预测GaAs/AlAs结为  (x=1)。^[6][7]

测量能带偏移的典型方法是通过测量发光光谱中的激子能量来计算它们。^[7]

当异质结由两种不同的半导体形成时，由于能带结构的差异，可以制造量子阱。为了计算所获得的量子阱内的静态能级，理解异质结上的有效质量的变化或失配变得很重要。异质结中定义的量子阱可以被视为宽度为  。除此之外，在1966年，Conley等人，^[8]班达尼尔和杜克^[9]报道了量子阱中包络函数的边界条件，称为BenDaniel-Duke边界条件。根据这些理论，量子阱中的包络函数必须满足界面区域中状态  均为连续的边界条件。

对宽度为  的有限井使用薛定谔方程，并且以0为中心，所获得的量子阱的方程可以写成:

上述方程的解是众所周知的， 只有不同的(修改的) k 和   ^[10]

 .

在 z =   偶数奇偶解可以从以下获得

 .

取(5) 的导数并将两边乘以  

 .

用 (6) 除以 (5)，可以得到偶数奇偶解函数，

 .

类似地，对于奇数奇偶解

 .

对于数值解，取(7)和(8)的导数给出

偶数奇偶校验:

奇数奇偶校验:

其中  .

材料间有效质量的差异导致基态能量的较大差异。

在量子点中，由于量子尺寸效应，能带能量取决于晶体尺寸。这使得纳米级异质结构中的带偏移工程成为可能。可以^[11]使用相同的材料，但通过改变所涉及晶体的大小或厚度来改变结的类型，例如从跨越（I型）到交错（II型）。最常见的纳米异质结构体系是CdSe上的ZnS (CdSe@ZnS)，它具有跨界间隙（I型）偏移。在该系统中，较大带隙的ZnS钝化荧光CdSe核的表面，从而提高发光的量子效率。此外，由于ZnS壳层的带隙更大，其化学键也更强，因此增加了热稳定性。因为CdSe和ZnS均生长在zincblende晶体相中，且晶格匹配紧密，因此优选核壳生长。在其他系统中或在不同的生长条件下，有可能生长各向异性结构，如右图所示。

已经证明，^[12]在这些结构中的导带之间进行电荷转移的驱动力是导带偏移。通过减小在TiO₂上生长的CdSe纳米晶体的尺寸，Robel等人^[12]发现电子从较高的CdSe导带更快地转移到TiO₂。在CdSe中，由于有效质量比价带小，因此量子尺寸效应在导带中更明显，大多数半导体就是这种情况。因此，纳米级异质结通常更容易设计导带偏移。对于交错(II型)偏移纳米级质结，光致电荷分离可能发生，因为空穴的最低能量状态可能在结的一侧，而电子的最低能量在相反侧。有人提议^[12]各向异性交错间隙（II型）纳米异质结可用于光催化，特别是太阳能的水分解。