De elektroniska egenskaperna hos ett gränssnitt mellan två halvledare med breda bandgap bestäms av forskare vid KAUST:en insikt som kommer att bidra till att förbättra effektiviteten hos ljusemitterande och högeffekts elektroniska enheter.

Halvledare, som kisel och galliumnitrid, har elektriska egenskaper någonstans mellan en ledares och en isolator. De tillåter bara ström att flyta när elektroner har tillräckligt med energi för att övervinna en barriär som kallas bandgap. Bandgapet – som kan vara direkt eller indirekt, smal eller stor – bestämmer egenskaperna hos halvledare och deras därav följande tillämpningar.

Material med stort bandgap, till exempel, är användbara i högeffektelektronik eftersom de har högre genombrottsspänning för energieffektiva transistorer jämfört med material med smalt bandgap, såsom kisel. De kan också producera ljus djupt in i den ultravioletta delen av spektrumet, vilket gör dem användbara för desinfektion och vattenrening.

Dessa material kan skräddarsys ytterligare för en specifik applikation genom att skikta olika halvledare ovanpå varandra för att skapa en så kallad heterostruktur med önskade egenskaper. Men det är viktigt att förstå hur bandgaperna mellan två halvledare är i linje när halvledare förs samman på detta sätt.

Haiding Sun och principutredaren Xiaohang Li från KAUST och kollegor från Georgia Institute of Technology, rapporterar att de experimentellt mätte inriktningen av två framväxande material med stora bandgap:boraluminiumnitrid och aluminiumgalliumnitrid.

Nobelpriset i fysik 2014 delades ut som ett erkännande för utvecklingen av lysdioder av galliumnitrid. Men, jämfört med galliumnitrid, aluminiumnitrid har ett mycket större bandgap på 6,1 elektronvolt. Dess elektroniska egenskaper kan justeras genom att ersätta några av aluminiumatomerna i kristallen med antingen bor eller gallium.

Teamet skapade ett gränssnitt mellan boraluminiumnitrid med ett förhållande mellan bor och aluminiumatomer på 14:86 och aluminiumgalliumnitrid med ett galliumnitridförhållande på 30:70 på ett aluminiumnitridtäckt safirsubstrat.

De använde högupplöst röntgenfotoemissionsspektroskopi för att mäta förskjutningen mellan toppen och botten av de två materialens bandgap. De visar att bandgaporna har en förskjuten inriktning, med både den övre och nedre kanten av bandgapet på Al0.7Ga0.3N lägre än respektive kant i B0.14Al0.86N.

"Baserat på de experimentella resultaten, vi kan uppnå en mycket högre mängd tvådimensionell elektrongasarkbärarkoncentration i en sådan korsning, ", säger Sun. "Bestämningen av bandinriktningen för B0.14Al0.86N/Al0.7Ga0.3N heterojunction ger värdefullt stöd vid utformningen av optiska och elektroniska enheter baserade på sådana korsningar."