Гетеропереходы

Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций современных транзисторов, приборов квантовой электроники, СВЧ-техники, электронной техники для систем связи, телекоммуникаций, вычислительных систем и светотехники. Основным элементом гетероструктур различного типа является гетеропереход. Под гетеропереходом понимается контакт двух различных по химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала.

Различают изотипные и анизотипные гетеропереходы. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости, то говорят об изотипном гетеропереходе. Анизотипные гетеропереходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости. Существует три модели гетероперехода:

-идеальный гетеропереход;

-неидеальный гетеропереход;

-гетеропереход с промежуточным слоем.

В идеальном гетеропереходе, в отличие от неидеального, на границе раздела материалов отсутствуют локальные энергетические состояния для электронов. Гетеропереход с промежуточным слоем формируется через слой конечной толщины и локальные энергетические состояния могут существовать как в самом промежуточном слое, так и на границах его раздела. Ниже мы рассмотрим построение энергетической диаграммы в модели идеального гетероперехода.

Для построения энергетической диаграммы часто применяют простое «правило электронного сродства» (в англоязычной литературе – правило Андерсона), согласно которому разрыв зоны проводимости равен разности электронного сродства двух материалов. Но следует иметь в виду, что данный подход далеко не всегда справедлив, так как в разрыв зон зависят еще и от деталей формирования связей на гетерогранице и деформационного потенциала.

Для построения энергетической диаграммы идеального гетероперехода должны быть известны следующие характеристики полупроводников: -ширина запрещенной зоны (E_g1, E_g2). При построении считаем, что E_g2 >E_g1;

-термодинамическая работа выхода (Ф₁; Ф₂)– расстояние от уровня Ферми полупроводника до уровня вакуума. Следует учитывать, что термодинамическая работа выхода зависит от положения уровня Ферми, то есть от уровня легирования материала;

-сродство к электрону (χ₁; χ₂) – расстояние от дна зоны проводимости до уровня вакуума.

При построении диаграммы считаем, что -ширина запрещенной зоны и внешняя работа выхода неизменны до плоскости контакта, на которой они скачком изменяют свою величину;

-в приконтактном слое каждого из полупроводников происходит изменение потенциальной энергии электрона. Полное изменение потенциальной энергии равно разности работ выхода, что обеспечивает неизменное положение уровня Ферми вдоль гетероперехода.

До «приведения в контакт» двух полупроводников потенциальная энергия электронов в них разная из-за разной термодинамической работы выхода. При «соприкосновении» двух полупроводников, как и в случае обычного p-n-перехода, электроны начнут «переходить» из полупроводника с меньшей работой выхода в полупроводник с большей. Это будет происходить до тех пор, пока диффузионный ток не будет скомпенсирован дрейфовым током носителей заряда под воздействием поля, созданным избыточными носителями. При этом возникнет контактная разность потенциалов

и образуется область пространственного заряда шириной d (Рисунок 4.5).

Рис. 4.5. Энергетические диаграммы полупроводников (а) и диаграмма идеального

гетероперехода (б).

При таком построении видно, что из-за различия электронного сродства в контактирующих полупроводниках дно зоны проводимости первого полупроводника выходит на плоскость контакта в точке, не совпадающей в общем случае с точкой выхода на эту плоскость дна зоны проводимости второго полупроводника – формируется разрыв зоны проводимости ∆E_c. Он равен

Аналогично формируется и разрыв валентной зоны. Он равен:

Следует заметить, что разрывы зон могут быть как положительными так и отрицательными. Можно выделить следующие разновидности гетеропереходов:

1) охватывающий переход возникает, когда разрыв зоны проводимости ∆Ec и разрыв валентной зоны ∆Ev положительны. Такой случай реализуется, например, в гетеропереходе GaAs-AlGaAs. В литературе данный тип гетероперехода называют гетеропереходом I типа, или стандартным.

2) в случае же, когда разрыв один из разрывов зон положителен, а другой отрицателен говорят о переходе II типа, или ступенчатом. Данный случай реализуется в гетеропереходе InP-In_0,52Al_0,48As.

3) также возможен вариант, когда запрещенные зоны вообще не перекрываются по энергии. Данный гетеропереход называет гетеропереходом III типа или разрывным гетеропереходом. Классический пример – гетеропереход InAs-GaSb.

Экспериментально измеренные параметры основных типов гетеропереходов изображены на рисунке 4.6.

Рис. 4.6. Экспериментально определенные разрывы валентной зоны и зоны проводимости двух наиболее близких по параметрам решетки гетеропар: a) In _0.53Ga_0.47As-In_0.52Al_0.48As- In_0.53Ga_0.47As- InP и б) InAs-GaSb-AlSb.

Рассмотрим методы производства гетеропереходов. Среди весьма большого числа различных методов наибольшее распространение получили:

1) метод химических транспортных реакций (Рост из паровой фазы)

2) метод испарения в вакууме (Рост из паровой фазы)

3) выращивание из раствора-расплава (Рост из жидкой фазы)

4) метод поверхностного оплавлении. (Рост из жидкой фазы)

Методом химических транспортных реакций были получены первые монокристаллические гетеропереходы из пары полупроводниковых материалов германий - арсенид галлия. Метод испарения в вакууме пока разработан недостаточно для широкого производственного применения.

Для получения гетеропереходов может быть использован метод поверхностного оплавления композиции из двух находящихся в плотном контакте кристаллов полупроводников. Такая сборка помещается в реактор с вертикальным температурным градиентом так, чтобы полупроводниковый материал с более высокой температурой плавления находился бы при большей температуре. Затем расплавляют слой, прилегающий к границе раздела двух полупроводников, снижают температуру и расплавленную массу перекристаллизовывают на полупроводниковый кристалл с большей температурой плавления. Этот метод принято называть методом сплавления. Он дает хорошие результаты по получению гетеропереходов следующих пар полупроводниковых материалов: арсенид индия - арсенид галлия, германий - арсенид галлия, антимонид индия - антимонид галлия, германий - антимонид галлия. Однако методом сплавления не удается получить достаточно совершенные гетеропереходы, поскольку гетеропереходы получаются заметно разориентированными и граница гетероперехода имеет значительные дефекты.

Дата добавления: 2014-01-11