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Band Alignment Engineering at Cu2O/ZnO Heterointerfaces

Résumé

Energy band alignments at heterointerfaces play a crucial role in defining the functionality of semiconductor devices, yet the search for material combinations with suitable band alignments remains a challenge for numerous applications. In this work, we demonstrate how changes in deposition conditions can dramatically influence the functional properties of an interface, even within the same material system. The energy band alignment at the heterointerface between Cu2O and ZnO was studied using photoelectron spectroscopy with stepwise deposition of ZnO onto Cu2O and vice versa. A large variation of energy band alignment depending on the deposition conditions of the substrate and the film is observed, with valence band offsets in the range Delta E-VB = 1.45-2.7 eV. The variation of band alignment is accompanied by the occurrence or absence of band bending in either material. It can therefore be ascribed to a pinning of the Fermi level in ZnO and Cu2O, which can be traced back to oxygen vacancies in ZnO and to metallic precipitates in Cu2O. The intrinsic valence band offset for the interface, which is not modified by Fermi level pinning, is derived as Delta E-VB approximate to 1.5 eV, being favorable for solar cell applications.

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In solid-state physics of semiconductors, a band diagram is a diagram plotting various key electron energy levels (Fermi level and nearby energy band edges) as a function of some spatial dimension, which is often denoted x. These diagrams help to explain the operation of many kinds of semiconductor devices and to visualize how bands change with position (band bending). The bands may be coloured to distinguish level filling. A band diagram should not be confused with a band structure plot.
Spectroscopie
La spectroscopie, ou spectrométrie, est l'étude expérimentale du spectre d'un phénomène physique, c'est-à-dire de sa décomposition sur une échelle d'énergie, ou toute autre grandeur se ramenant à une énergie (fréquence, longueur d'onde). Historiquement, ce terme s'appliquait à la décomposition, par exemple par un prisme, de la lumière visible émise (spectrométrie d'émission) ou absorbée (spectrométrie d'absorption) par l'objet à étudier.
Hétérojonction
Une hétérojonction est une jonction entre deux semi-conducteurs dont les bandes interdites (gap, en langue anglaise) sont différentes. Les hétérojonctions ont une importance considérable en physique des semi-conducteurs et en optique. Une hétérojonction est une jonction formée par deux semi-conducteurs différents ou par un métal et un semi-conducteur. Quand les deux semi-conducteurs ont le même type de conductivité, on parle d'hétérojonction isotype. Lorsque le type de conductivité diffère, on parle d'hétérojonction anisotype.
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