이종접합

3. 에너지 밴드 정렬

3. 1. 밴드 정렬 유형

• 스트래들링 갭 (Type I): 두 반도체의 밴드갭이 서로 포함되는 형태.
• 스태거드 갭 (Type II): 두 반도체의 밴드갭이 서로 엇갈리는 형태.
• 브로큰 갭 (Type III): 두 반도체의 밴드갭이 서로 겹치지 않는 형태.

• 앤더슨 규칙: 가장 간단하지만 정확도가 낮은 모델이며, 진공-반도체 계면의 특성(특히 진공 전자 친화도)을 기반으로 띠 정렬을 예측한다. 주요 한계는 화학 결합을 무시한다는 점이다.
• 공통 음이온 규칙: 원자가 띠가 음이온 상태와 관련이 있으므로 같은 음이온을 가진 물질은 원자가 띠 오프셋이 매우 작을 것이라고 추측한다. 그러나 이것은 데이터를 설명하지 못했지만, 서로 다른 음이온을 가진 두 물질은 전도띠 오프셋보다 원자가 띠 오프셋이 더 클 경향이 있다는 추세와 관련이 있다.
• Tersoff^[10] 모델: 더 익숙한 금속-반도체 접합을 기반으로 하는 ''갭 상태'' 모델을 제안했는데, 여기서 전도띠 오프셋은 쇼트키 장벽 높이의 차이로 주어진다. 이 모델에는 한 물질의 전도띠에서 다른 물질의 갭으로의 전자 터널링로 인해 발생하는 두 반도체 사이의 계면에 쌍극자 층이 포함된다(금속 유도 갭 상태와 유사하다). 이 모델은 GaAs/AlGaAs와 같이 두 물질 모두 격자 정합이 잘 된 시스템과 잘 일치한다.^[11]
• ''60:40 규칙'': 반도체 GaAs와 합금 반도체 Al_''x''Ga_1−''x''As 사이의 접합의 특정 경우에 대한 휴리스틱이다. Al_''x''Ga_1−''x''As 쪽의 ''x''가 0에서 1로 변함에 따라 $\backslash Delta\; E\_C/\backslash Delta\; E\_V$ 비율은 60/40 값을 유지하는 경향이 있다. 비교를 위해, 앤더슨 규칙은 GaAs/AlAs 접합(''x''=1)에 대해 $\backslash Delta\; E\_C\; /\; \backslash Delta\; E\_V\; =\; 0.73/0.27$을 예측한다.^[12][13]

3. 2. 밴드 정렬 예측 모델

• '''앤더슨 규칙'''은 진공-반도체 계면의 특성(특히 진공 전자 친화도)을 기반으로 띠 정렬을 예측하는 가장 간단하지만 정확도가 낮은 모델이다. 주요 한계는 화학 결합을 무시한다는 점이다.^[9]
• '''공통 음이온 규칙'''은 원자가 띠가 음이온 상태와 관련이 있으므로 같은 음이온을 가진 물질은 원자가 띠 오프셋이 매우 작을 것이라고 추측한다. 그러나 이것은 데이터를 설명하지 못했지만, 서로 다른 음이온을 가진 두 물질은 전도띠 오프셋보다 원자가 띠 오프셋이 더 클 경향이 있다는 추세와 관련이 있다.
• '''Tersoff'''^[10]는 더 익숙한 금속-반도체 접합을 기반으로 하는 ''갭 상태'' 모델을 제안했는데, 여기서 전도띠 오프셋은 쇼트키 장벽 높이의 차이로 주어진다. 이 모델에는 한 물질의 전도띠에서 다른 물질의 갭으로의 전자 터널링로 인해 발생하는 두 반도체 사이의 계면에 쌍극자 층이 포함된다(금속 유도 갭 상태와 유사하다). 이 모델은 GaAs/AlGaAs와 같이 두 물질 모두 격자 정합이 잘 된 시스템과 잘 일치한다.^[11]
• '''60:40 규칙'''은 반도체 GaAs와 합금 반도체 Al_''x''Ga_1−''x''As 사이의 접합의 특정 경우에 대한 휴리스틱이다. Al_''x''Ga_1−''x''As 쪽의 ''x''가 0에서 1로 변함에 따라 $\backslash Delta\; E\_C/\backslash Delta\; E\_V$ 비율은 60/40 값을 유지하는 경향이 있다. 비교를 위해, 앤더슨 규칙은 GaAs/AlAs 접합(''x''=1)에 대해 $\backslash Delta\; E\_C\; /\; \backslash Delta\; E\_V\; =\; 0.73/0.27$을 예측한다.^[12][13]

4. 유효 질량 불일치

이종 접합에서 두 반도체의 유효 질량 차이는 양자 우물의 에너지 준위에 영향을 미친다. 1966년 Conley 등^[14]과 BenDaniel 및 Duke^[15]는 양자 우물에서의 포락 함수에 대한 경계 조건을 보고했는데, 이는 BenDaniel–Duke 경계 조건으로 알려져 있다. 이들에 따르면, 제작된 양자 우물의 포락 함수는 $\backslash psi\; (z)$와 $\{\backslash frac\; \{1\}\; \{m^*\}\; \}\{\backslash partial\; \backslash over\; \{\backslash partial\; z\}\}\; \backslash psi\; (z)\; \backslash ,$가 모두 계면 영역에서 연속적이라는 경계 조건을 만족해야 한다.

5. 나노 스케일 이형 접합

양자점에서 띠 에너지는 양자 크기 효과 때문에 결정 크기에 따라 달라진다. 이를 통해 나노미터 크기 이종구조에서 띠 오프셋 공학이 가능해진다.^[17] 동일한 재료를 사용하더라도, 관련된 결정의 크기나 두께를 변경하여 접합의 유형을, 예를 들어 스트래들링(type I)에서 엇갈린(type II)으로 변경할 수 있다. 가장 일반적인 나노미터 크기 이종구조 시스템은 스트래들링 갭(type I) 오프셋을 갖는 황화아연 위의 셀레늄화카드뮴(CdSe@ZnS)이다. 이 시스템에서 훨씬 더 큰 띠 간격을 가진 ZnS는 표면 불활성화를 통해 형광성 CdSe 코어의 표면을 불활성화하여 양자 효율을 높인다. ZnS 껍질의 더 강한 결합으로 인해 열적 안정성이 증가하는 추가적인 이점도 있으며, 이는 더 큰 띠 간격으로 나타난다. CdSe와 ZnS는 모두 섬아연석 결정 상에서 성장하고 격자 정합이 잘 되어 있으므로 코어 쉘 성장이 선호된다. 다른 시스템이나 다른 성장 조건에서는 비등방성 구조를 성장시킬 수 있다.

이러한 구조에서 전하 이동의 원동력은 전도대 오프셋이다.^[18] Robel 등^[18]은 TiO₂ 위에 성장한 CdSe 나노결정의 크기를 줄임으로써, 전자가 더 높은 CdSe 전도대에서 TiO₂로 더 빠르게 이동한다는 것을 발견했다. CdSe에서 양자 크기 효과는 가전자대보다 더 작은 유효 질량으로 인해 전도대에서 훨씬 더 두드러지며, 이는 대부분의 반도체에서 마찬가지이다. 따라서 전도대 오프셋 공학은 일반적으로 나노미터 크기 이종접합에서 훨씬 더 쉽다. 엇갈린(type II) 오프셋 나노미터 크기 이종접합의 경우, 광유도 전하 분리가 발생할 수 있는데, 그 이유는 정공에 대한 가장 낮은 에너지 상태가 접합의 한쪽에 있고 전자에 대한 가장 낮은 에너지 상태가 반대쪽에 있기 때문이다. 비등방성 엇갈린 갭(type II) 나노미터 크기 이종접합은 광촉매작용, 특히 태양 에너지를 이용한 물 분해에 사용될 수 있다는 제안이 있다.^[18]

6. 결정 성장의 응용 (헤테로에피택시)

결정 성장 기술 중 하나로 에피택시 성장이 있다. 이는 기판 위에 결정을 성장시키는 방법이다. 성장시키는 결정과 동일한 결정의 기판을 제작하는 것이 어려운 경우, 성장시키는 결정과 다른 기판을 사용한다.

참조

_[1] 논문 Low-dimensional quantum devices
_[2] 저널 Van der Waals heterostructures
_[3] 서적 Crystalline Silicon Solar Cells: Heterojunction Cells http://link.springer[...] Springer International Publishing 2023-04-18
_[4] 저널 Amorphous Si/Polycrystalline Si Stacked Solar Cell Having More Than 12% Conversion Efficiency
_[5] 저널 High-efficiency heterojunction crystalline Si solar cells
_[6] 웹사이트 HJT - Heterojunction Solar Cells https://www.solarpow[...] 2022-03-25
_[7] 저널 A proposed class of hetero-junction injection lasers
_[8] 저널 Interface engineered metal oxide heterojunction nanostructures in photocatalytic CO2 reduction: Progress and prospects
_[9] 서적 Semiconductor Nanostructures Quantum States and Electronic Transport https://archive.org/[...] Oxford University Press
_[10] 저널 Theory of semiconductor heterojunctions: The role of quantum dipoles
_[11] 서적 Semiconductor Optoelectronic Devices Prentice Hall
_[12] 서적 Properties of Aluminium Gallium Arsenide https://books.google[...]
_[13] 저널 Conduction-band offsets in pseudomorphic InxGa1-xAs/Al0.2Ga0.8As quantum wells (0.07≤x≤0.18) measured by deep-level transient spectroscopy
_[14] 저널 Electron Tunneling in Metal–Semiconductor Barriers
_[15] 저널 Space-Charge Effects on Electron Tunneling
_[16] 서적 Introduction to Quantum Mechanics Prentice Hall
_[17] 저널 Type-II Core/Shell CdS/ZnSe Nanocrystals: Synthesis, Electronic Structures, and Spectroscopic Properties
_[18] 저널 Size-Dependent Electron Injection from Excited CdSe Quantum Dots into TiO2Nanoparticles
_[19] 논문 Low-dimensional quantum devices
_[20] 저널 A proposed class of hetero-junction injection lasers