Полупроводниковые гетероструктуры. 
Наноэлектроника

Историческая справка Идея использования структур с гетеропереходами в полупроводниковой электронике была выдвинута уже на заре развития электроники, в начале 1950;х гг. 11а ранней стадии изучения гетероструктур важный теоретический вклад в исследования внесли академик РАН Ж. И. Алферов и профессор из Германии Г. Крсмср. За разработку полупроводниковых гетсроструктур, используемых в высокочастотной и оптоэлектроиике, они в 2000 г. получили Нобелевскую премию, но физике. Оба выдающихся ученых еще в 1963 г. независимо сформулировали концепцию полупроводниковых лазеров на основе двойной гетсроструктуры. Такой лазер присутствует теперь фактически в каждом доме в проигрывателе компакт-дисков.

Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций современных транзисторов, приборов квантовой электроники, сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, электронной техники для систем связи и телекоммуникаций, вычислительных систем, светотехники.

Основой гетероструктуры является гетеропереход. Под гетеропереходом будем понимать контакт двух различных по химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала. На границе гетероперехода происходит изменение свойств полупроводникового материала. В частности, меняются структура энергетических зон, эффективные массы носителей заряда, их подвижность.

Различают изотопные и анизотипные гетеропереходы. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости, то говорят об изотипном гетеропереходе. Анизотипные переходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости.

Зонная диаграмма довольно полно описывает свойства гетеропереходов. На рис. 2.19, а представлена зонная диаграмма двух изолированных полупроводников. При их соединении образуется п-Р-гетероструктура (рис. 2.19, б). Отметим, что заглавная буква Р обозначает тип проводимости более широкозонного проводника, а Е_с, Е_г, Е_г — соответственно дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень Ферми.

При контакте двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны Е_sl и Egj устанавливается термодинамическое равновесие. В этом состоянии уровень Ферми гетероструктуры становится единым. Если работа выхода полупроводника и-типа равна Ф, а работа выхода полупроводника p-типа равна Ф₂, то образуется контактная разность потенциалов.

Рис. 2.19. Зонная диаграмма двух полупроводников (а) и зонная диаграмма сформированного резкого гетероперехода п-Р (б).

где q — элементарный заряд.

На рис. 2.19, б представлена функция энергии электрона Ч-'(г) в зависимости от координаты z, нормальной к границе гетероперехода. Аналогичную форму имеет п контактный потенциал V (z). Нормальную составляющую электрического поля Е в полупроводнике на границе раздела определим из вектора индукции D, = б,/;, и D₂ = г₂Е₂.

п гг Л ^dV&

В то же время b (z) = —-—, откуда следует, что при е, ^ е₂ на границе гетероперехода имеет место разрыв энергетического поля Е, а функции V (z) и Ч'(г) имеют излом.

Величины разрывов уровней зонной диаграммы составляют:

где /, и /₂ — сродство к электрону.

Под сродством к электрону будем понимать свойство атомов или молекул образовывать прочную связь с электроном, другими словами — способность атома или молекулы образовывать ион.

Мерой сродства к электрону служит энергия связи электрона в соответствующем отрицательном ионе. Эта энергия равна разности энергии нейтрального атома или молекулы в основном состоянии и энергии основного состояния образованного отрицательного иона.

Из-за разницы величин электронного сродства формируется область с двумерным электронным газом (2Г)-газ). Поскольку длина волны де Бройля (-26 нм) превышает ширину потенциальной ямы, то движение электронов в двумерном газе квантовано в направлении, перпендикулярном плоскости перехода. Подвижность электронов в 2 D-газе составляет порядка 5• (10⁶—10⁷) см/В с при поверхностной концентрации (2−4)-10″ см'².

Функция V (z) находится из решения уравнения Пуассона для координаты z:

где р (г) — плотность заряда.

Потенциалы Е, и V₂, приходящиеся соответственно на полупроводники п- и /-'-типов, связаны следующим соотношением:

где N_a2 и /Vrjj — соответственно концентрации акцепторов и доноров в полупроводниках; Е_р ?, — диэлектрические постоянные.

В гетеропереходах обычно происходит инжекция носителей из широкозонного полупроводника в узкозонный.

При определенной напряженности электрического поля происходит сверхинжекция. Это явление заключается в том, что плотность инжектированных в узкозонный полупроводник носителей превышает плотность равновесных носителей в широкозонном эмиттере.

В гетеропереходах наблюдается излучательная рекомбинация. Явление излучательной рекомбинации наблюдается при оптическом возбуждении носителей заряда, а также при инжекции неравновесных носителей при прямом смещении гетероперехода.

Если энергия фотонов hv удовлетворяет условию.

то спектр излучения совпадает со спектром фотолюминесценции.

Если hv > то спектр излучения представляет собой набор полос люминесценции широкои узкозонной частей гетероперехода.

В гетеропереходах наблюдается явление фотоэффекта. При освещении поверхности гетеропереходов p-N- и я-Р-типов со стороны широкозонного полупроводника в узкозонном полупроводнике поглощаются фотоны с энергией hv (2.9).

Область спектральной чувствительности фотоэффекта определяется формой и высотой потенциальных барьеров на границе.

Несколько гетеропереходов формируют гетероструктуру, которые имеют размеры в несколько десятков нанометров. Заметим, что характерная длина волны электрона в полупроводниках при низких температурах лежит в том же диапазоне длин. Следовательно, движение носителей в гетероструктурах может быть описано только с учетом законов квантовой механики. Квантово-механический характер физических процессов в гетероструктурах позволяет выделить их в класс объектов, отличных от традиционных микроскопических элементов микроэлектроники.

Гетероструктуры чаще всего формируются на основе полупроводников типов A³B^D, А⁴ В⁶ и др. На основе таких типов бинарных соединений образуются трехи четырехкомпонентные твердые растворы замещения. Так, на основе GaAs и AlAs образуется раствор Al^Ga^As, GaAs и InP образуют раствор InP — In^Gaj, Р ASj_. Меняя концентрацию состава путем подбора х и г/, можно плавно менять E_g. Твердые растворы на основе А³В⁵ позволяют перекрыть диапазон изменения ширины запрещенной зоны 0,2 эВ < < E_g < 2,5 эВ.

Возможность изменять ширину запрещенной зоны и диэлектрическую проницаемость позволяет эффективно управлять движением носителей. Это обстоятельство позволяет, например, создавать оптоэлектронные приборы в диапазоне 0,51 мкм < к < 7,6 мкм.

Существует ряд ограничений в гетероструктурах. Электронное ограничение связано с разрывами в зонах. Если АЕ_с и AE_V kT, где Т — температура кристалла, то сквозным диффузионным током в двойной гетероструктуре можно пренебречь. Происходит локализация неравновесных носителей зарядов в узкозонной части гетероструктуры, ограниченной более широкозонными полупроводниками. Плотность тока прямого смещения определяется рекомбинацией носителей заряда в узкозонном активном слое.

Величина этого тока может быть описана уравнением^ = qAmd/x, где q — заряд электрона; Ат — изменение концентрации неравновесных носителей; с1 — толщина узкозонного р-слоя; т — время жизни носителей. Если толщина p-слоя больше диффузионной длины неравновесных носителей L (d> I), то за счет электронного ограничения концентрация неравновесных носителей Ат в тонком р-слое будет в L/d раз больше, чем в толстом. В этом случае говорят о высокой эффективной концентрации носителей в двумерном электронном газе.

Оптическое ограничение, или волноводный эффект, связано с разными значениями коэффициентов преломления в узкозонном (/?j) и широкозонном (п₂) полупроводниках (п_{ > п₂). В этом случае имеет место волноводное распространение света, связанное с эффектом полного внутреннего отражения на границе раздела сред. При этом необходимо выполнение условия d > , где X — длина световой волны. Волноводный эффект наблюдается и при введения излучения извне.

Волноводные свойства гетероструктур можно изменять внешними воздействиями. Например, возбуждая в узкозонном слое неравновесные носители и варьируя их концентрацию, можно менять диэлектрическую проницаемость узкозонного слоя. Следовательно, можно изменять параметры волновода.

Возможно создание приборов на основе трехи четырехкомпонентных растворов.

Гетеропереходы получают методами жидкофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии, а также осаждением из газовой фазы. В методе жидкофазной эпитаксии осаждение эпитаксиального слоя происходит из раствора или расплава, находящегося в контакте с поверхностью подложки.

Наиболее эффективным является метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Он позволяет контролировать структуру и состояние поверхности подложки, регулировать плотность молекулярного потока и соответственно скорость роста кристалла, осуществлять локальную кристаллизацию, получать резкие межслойные границы. С помощью метода молекулярнолучевой эпитаксии можно выращивать сверхтонкие слои в пределах 1 — 100 нм, которые необходимы для создания гетероструктур. На их основе можно создавать и сверхрешетки, проводить многослойную застройку решетки.

На основе гетероструктур разработаны приборы онтоэлектроники — гетеролазеры, гетеросветодиоды. Гетероструктуры используются и для создания приемников оптического излучения — фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров.