Сверхрешетки. 
Наноэлектроника

На основе гетеропереходов формируются сверхрешетки. Они представляют собой твердотельную периодическую структуру, в которой на носители заряда наряду с потенциалом кристаллической решетки действует дополнительный встроенный потенциал. Таким потенциалом является одномерный потенциал V (z), период d которого меньше длины свободного пробега электронов, но значительно больше постоянной решетки а.

Прохождение частиц через систему чередующихся потенциальных прямоугольных барьеров может быть рассмотрено в рамках модели Кронига — Пенни, в основу которой положена цепочка из прямоугольных барьеров и квантовых ям (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Одномерный периодический потенциал Кронига — Пенни.

В этом случае период d = L + W, a потенциал меняется по закону.

Решение уравнения Шредипгера ищется в виде функций Блоха:

где k — волновой вектор; K (z) — амплитуда блоховской функции.

Анализ решения уравнения показывает, что энергетический спектр сверхрешетки разбивается на зоны запрещенных и разрешенных значений энергии.

Энергетический спектр определяется толщиной слоев сверхрешетки, номером зоны г и волновым вектором V_z. Энергетический спектр одномерных сверхрешеток резко анизотропен.

Сверхрешетки можно получать путем создания многослойных структур с толщинами слоя в пределах 80—100 А, например, методом молекулярнолучевой эпитаксии.

Другим способом создания сверхрешеток является формирование в полупроводнике структуры с периодическим изменением уровня легирования. Сформированная таким образом последовательность гомопереходов также является сверхрешеткой.

Упрощенная зонная диаграмма сверхрешетки структуры GaAs/Al_rGa_{1 v}As приведена на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Зонные диаграммы сверхрешеток из чередующихся слоев GaAs и Al^.Ga_1JrAs (а) и легированной сверхрешетки (б).

Ввиду того, что полупроводниковые слои не легированы (рис. 2.21, а), уровень Ферми лежит посередине запрещенной зоны. Степень легирования можно модулировать путем введения А1. Зонная диаграмма переменнолегированной сверхрешетки представлена на рис. 2.21, б. В этой системе уровень Ферми лежит вблизи дна зоны проводимости. Край зоны проводимости в GaAs лежит ниже донорных уровней в Al_vGa,, As, и электроны с донорных примесей перейдут в область GaAs. Ионизированные атомы донорной примеси в слоях Al^Ga, _vAs и электроны, перешедшие в GaAs, будут пространственно разделены.

Различают следующие виды сверхрешеток:

• • композиционные, которые выращивают в эпитаксиальном процессе тонкими слоями полупроводников с различной шириной запрещенной зоны;
• • легированные, в которых чередуются ультратонкие слои д-р-типов, отделенные друг от друга нелегированными слоями;
• • спиновые, формирующиеся периодическим чередованием слоев одного и того же полупроводника. Одни слои легируются немагнитными примесями, другие — магнитными. Периодический потенциал решетки формируется внешним магнитным полем;
• • волновые, потенциал которых создается периодической деформацией материала в поле мощной стоячей ультразвуковой или световой волны;
• • сверхрешетки двумерного электронного газа, формирующиеся путем периодической модуляции плоскости поверхностного заряда;
• • сегнетоэлектрические сверхрешетки.

Поэтому в слое GaAs подвижность электронов будет существенно выше, чем в легированном объемном материале GaAs с такой же концентрацией электронов. Плотность электронов в GaAs будет существенно выше плотности примесных центров рассеяния в том же материале.

В переменно-легированных сверхрешетках подвижность носителей существенно выше, чем в объемном материале.

На рис. 2.22 приведены поперечные срезы (100) сверхрешеток GaAs/AlAs, выращенных послойно методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Если приложить напряжение перпендикулярно многослойной структуре, то может наступить резонансное туннелирование электронов.

Сверхрешетки весьма перспективны для создания генераторных, усилительных и преобразовательных устройств в миллиметровом и субмиллиме;

Рис. 2.22. Изображение в растровом электронном микроскопе поперечного среза (100) сверхрешетки GaAs/AlAs:

а — структура сверхрешетки; б — фрагмент с высоким разрешением тровом диапазонах длин волн. Большие перспективы открываются и у оптоэлектронных приборов, реализованных на сверхрешетках, — это, прежде всего, фотоприемные и лазерные устройства.