Материальная система, состоящая из различных слоёв или материалов, часто с заданными электронными свойствами.Гетероструктура — это материал, созданный путём наложения друг на друга слоёв различных полупроводников или других материалов, обычно с атомарно резкими границами. Слои могут различаться по химическому составу, легированию или ориентации кристалла. Поскольку электронные свойства каждого слоя различны, переходы между ними создают специально подобранные потенциальные ландшафты для электронов: ямы, барьеры и каналы, которых нет ни в одном отдельном материале. Это позволяет инженерам с высокой точностью управлять потоком заряда и света. Гетероструктуры лежат в основе современной оптоэлектроники — лазеров, светодиодов и высокоскоростных транзисторов — а также служат площадкой для изучения новой физики, такой как двумерный электронный газ и топологические состояния.
Концепция возникла в 1960-х годах с развитием молекулярно-лучевой эпитаксии и химического осаждения из газовой фазы, которые позволили управлять ростом с точностью до атомного слоя. Первые полупроводниковые гетероструктурные лазеры были продемонстрированы в 1963 году Гербертом Крёмером и группой Ж. И. Алфёрова — работа, принёсшая им Нобелевскую премию по физике 2000 года. В 1974 году Эсаки и Цу предложили сверхрешётку — периодическую гетероструктуру, а в 1980 году фон Клитцинг обнаружил квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе на основе гетероструктуры.
Когда два различных полупроводника выращиваются вместе, различие их запрещённых зон и электронного сродства приводит к скачкам краёв зоны проводимости и валентной зоны на границе раздела. Эти разрывы зон создают потенциальные ступени. Если тонкий слой узкозонного полупроводника зажать между двумя слоями более широкозонного материала, образуется квантовая яма, удерживающая электроны или дырки в плоскости. Если яма не легирована, а окружающий материал легирован, электроны падают в яму и формируют двумерный электронный газ — слой подвижных зарядов, обладающий чрезвычайно высокой подвижностью, поскольку они отделены от ионизованных доноров. Деформация из-за несоответствия решёток также может изменять зонную структуру и даже создавать пьезоэлектрические поля, добавляя ещё один параметр для управления.
Гетероструктуры используются почти во всех полупроводниковых лазерах, светодиодах и транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT) для мобильных телефонов и радаров. Они также играют центральную роль в исследованиях по квантовым вычислениям, спинтронике и топологическим материалам.
Нобелевская премия по физике 2000 года была присуждена за разработку полупроводниковых гетероструктур; в том же году Нобелевская премия по химии досталась работе по проводящим полимерам, что показало, как слоистые материалы преобразуют сразу несколько областей.
Статей пока нет