Heterostruktury

Heterostruktura je struktura složená z vrstev dvou nebo více materiálů s odlišnými elektronickými, optickými a mechanickými vlastnostmi. Rozhraní mezi vrstvami vytváří ostře definované změny v energetických pásových strukturách, konfinování nosičů náboje a vznik nových kvantových stavů. Heterostruktury se využívají v elektronice, optoelektronice i výzkumu materiálů a v průmyslové výrobě.

Z klíčových pojmů patří band alignment neboli uspořádání pásů. U typu I má jeden materiál pásy širší nebo srovnatelné s druhým, což vede k soustředění nosičů v jedné vrstvě. Typ II vytváří rozložení kondukční a valenční pásů mezi materiály a nosiči se nacházejí v různých vrstvách, což podporuje jejich rozdělení a rekombinaci. Typ III, zvaný broken-gap, nastává, když pásy překrývají. Heterostruktury často vedou ke kvantovým efektům, jako kvantové studny a superlattice.

Vyrábějí se epitaxií: molekulární beam epitaxy (MBE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) či MOVPE a dalšími technologiemi. Materiálové soustavy zahrnují tradiční polovodiče GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs i 2D materiály jako grafen s boron nitridovým nosičem (hBN) nebo MoS2/WSe2. Kvalita rozhraní, vhodnost lattice mismatch, teplotní stabilita a kontrola difuze určují výkon zařízení.

Mezi hlavní výhody patří tunelovatelnost energetických pásem, kvantové konfinování a inženýrové řízení optických a elektronických vlastností. Nevýhody zahrnují lattice mismatch, vznik defektů na rozhraní, mechanický stres a vzájemnou difuzi mezi vrstvami, které mohou ovlivnit spolehlivost a životnost.

Použití zahrnuje vysokofrekvenční tranzistory (HEMT), lasery a LEDs, fotodetektory, solární články a detektory světla. V 2D heterostrukturách umožňují tenké, vysoce konfinované vrstvy a nová funkční uspořádání.