De elektronische kenmerken van een interface tussen twee halfgeleiders met brede bandgap worden bepaald door onderzoekers van KAUST:een inzicht dat zal helpen de efficiëntie van lichtemitterende en krachtige elektronische apparaten te verbeteren.

Halfgeleiders, zoals silicium en galliumnitride, hebben elektrische eigenschappen ergens tussen die van een geleider en een isolator. Ze laten alleen stroom stromen wanneer elektronen voldoende energie hebben om een ​​barrière te overwinnen die bekend staat als bandgap. De bandgap - die direct of indirect kan zijn, smal of groot - bepaalt de eigenschappen van halfgeleiders en hun daaruit voortvloeiende toepassingen.

Materialen met een grote bandgap, bijvoorbeeld, zijn nuttig in high-power elektronica omdat ze een grotere doorslagspanning hebben voor energiezuinige transistors in vergelijking met materialen met een smalle bandgap, zoals silicium. Ze kunnen ook licht produceren tot diep in het ultraviolette deel van het spectrum, waardoor ze bruikbaar zijn voor desinfectie en waterzuivering.

Deze materialen kunnen verder worden afgestemd op een specifieke toepassing door verschillende halfgeleiders op elkaar te leggen om een ​​zogenaamde heterostructuur met de gewenste eigenschappen te creëren. Maar het is van vitaal belang om te begrijpen hoe de bandgaps van twee halfgeleiders op één lijn liggen wanneer halfgeleiders op deze manier worden samengebracht.

Haiding Sun en hoofdonderzoeker Xiaohang Li van KAUST en collega's van het Georgia Institute of Technology, rapporteren dat ze experimenteel de uitlijning van twee opkomende materialen met een grote bandgap hebben gemeten:booraluminiumnitride en aluminiumgalliumnitride.

De Nobelprijs voor natuurkunde 2014 werd toegekend als erkenning voor de ontwikkeling van lichtemitterende diodes van galliumnitride. Maar, vergeleken met galliumnitride, aluminiumnitride heeft een veel grotere bandgap van 6,1 elektronvolt. De elektronische eigenschappen ervan kunnen worden aangepast door enkele aluminiumatomen in het kristal te vervangen door boor of gallium.

Het team creëerde een interface tussen booraluminiumnitride met een boor tot aluminium atoomverhouding van 14:86 en aluminiumgalliumnitride met een galliumnitrideverhouding van 30:70 op een met aluminiumnitride bedekt saffiersubstraat.

Ze gebruikten röntgenfoto-emissiespectroscopie met hoge resolutie om de offset tussen de boven- en onderkant van de bandgaps van het twee materiaal te meten. Ze laten zien dat de bandgaps een verspringende uitlijning hebben, met zowel de boven- als onderrand van de bandgap van de Al0.7Ga0.3N lager dan de respectieve rand in B0.14Al0.86N.

"Op basis van de experimentele resultaten, we kunnen een veel grotere hoeveelheid tweedimensionale concentratie van de elektronengasbladdrager in zo'n junctie bereiken, " zegt Sun. "De bepaling van de banduitlijning van B0.14Al0.86N/Al0.7Ga0.3N heterojunctie biedt waardevolle ondersteuning bij het ontwerp van optische en elektronische apparaten op basis van dergelijke juncties."