Le caratteristiche elettroniche di un'interfaccia tra due semiconduttori ad ampia banda proibita sono determinate dai ricercatori della KAUST:un'intuizione che aiuterà a migliorare l'efficienza dei dispositivi elettronici a emissione di luce e ad alta potenza.

semiconduttori, come silicio e nitruro di gallio, hanno proprietà elettriche da qualche parte tra quelle di un conduttore e di un isolante. Consentono il flusso di corrente solo quando gli elettroni hanno energia sufficiente per superare una barriera nota come bandgap. Il bandgap, che può essere diretto o indiretto, stretto o grande:determina le proprietà dei semiconduttori e le loro conseguenti applicazioni.

Materiali con un'ampia banda proibita, Per esempio, sono utili nell'elettronica ad alta potenza perché hanno una tensione di rottura maggiore per i transistor ad alta efficienza energetica rispetto ai materiali a banda proibita stretta, come il silicio. Possono anche produrre luce in profondità nella parte ultravioletta dello spettro, rendendoli utili per la disinfezione e la depurazione dell'acqua.

Questi materiali possono essere ulteriormente adattati a un'applicazione specifica stratificando diversi semiconduttori uno sopra l'altro per creare una cosiddetta eterostruttura con le proprietà desiderate. Ma è fondamentale capire come si allineano i bandgap di due semiconduttori quando i semiconduttori vengono uniti in questo modo.

Haiding Sun e il principale investigatore Xiaohang Li del KAUST e i colleghi del Georgia Institute of Technology, riferiscono di aver misurato sperimentalmente l'allineamento di due materiali emergenti a grande banda proibita:nitruro di boro e alluminio e nitruro di alluminio e gallio.

Il Premio Nobel 2014 per la fisica è stato assegnato in riconoscimento dello sviluppo dei diodi emettitori di luce al nitruro di gallio. Ma, rispetto al nitruro di gallio, il nitruro di alluminio ha un bandgap molto più grande di 6,1 elettronvolt. Le sue proprietà elettroniche possono essere regolate sostituendo alcuni degli atomi di alluminio nel cristallo con boro o gallio.

Il team ha creato un'interfaccia tra nitruro di boro e alluminio con un rapporto di boro/atomo di alluminio di 14:86 e nitruro di alluminio e gallio con un rapporto di nitruro di gallio di 30:70 su un substrato di zaffiro ricoperto di nitruro di alluminio.

Hanno usato la spettroscopia di fotoemissione a raggi X ad alta risoluzione per misurare l'offset tra la parte superiore e quella inferiore dei bandgap dei due materiali. Mostrano che i bandgap hanno un allineamento sfalsato, con entrambi i bordi superiore e inferiore del bandgap di Al0.7Ga0.3N inferiori al rispettivo bordo in B0.14Al0.86N.

"Sulla base dei risultati sperimentali, possiamo ottenere una quantità molto più elevata di concentrazione di vettore bidimensionale del foglio di gas di elettroni in tale giunzione, " afferma Sun. "La determinazione dell'allineamento di banda dell'eterogiunzione B0.14Al0.86N/Al0.7Ga0.3N fornisce un valido supporto nella progettazione di dispositivi ottici ed elettronici basati su tali giunzioni".