XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ. ВВЕДЕНИЕ.

Разговаривая о гетероструктурах, нужно заметить, что несмотря на то, что этот термин редко встречается, человечество знакомо с ними очень близко, и наша повседневная жизнь просто невозможна без гетероструктур.
Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций современных транзисторов, сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, электронной техники для систем связи и телекоммуникаций, вычислительных систем, светотехники и в других областях.

На ранней стадии изучения гетероструктур важный теоретический вклад в исследования внес академик РАН Ж. И. Алферов, а в 1963 году он сформулировал концепцию полупроводниковых лазеров на основе двойной гетероструктуры, который используется в чтении компакт дисков и по сей день.

Рис.1 Схематическое изображение первого инжекционного ДГС лазера, который работает в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Основой работы гетероструктуры является гетеропереход.
ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ.

Как говорит физика полупроводников, гетеропереходом называют контакт между различными полупроводниками. На возможность использования особых свойств такого контакта для повышения эффективности инжекции эмиттеров биполярных транзисторов указывалось еще в патенте В.Шокли в 1948 году.

Количественными параметрами, характеризующими полупроводник, являются:
1) ширина запрещенной зоны ,
2) электронное сродство χ, равное разности энергий между краем зоны проводимости и уровнем вакуума
3) работа выхода , которая равна разности энергий между уровнем Ферми (F) и уровнем вакуума

Для GaAs и Ge (материалов, из которых были сделаны первые гетероструктуры) значения составляют, соответственно, 4,07 эВ и 4,13 эВ, а значения Ед - 1,42 эВ и 0,66 эВ.

Рис.2. Энергетическая диаграмма двух полупроводников до (а) и после (б) соприкосновения

В модели Андерсона предполагается, что на границе взаимодействия двух полупроводников не образуется дипольного слоя. Тогда в состоянии равновесия из требования единства уровня Ферми следует, что, как и в обычном р-n-переходе, в таком гетеропереходе возникают электрическое поле и потенциальный барьер. Изменение энергии уровня вакуума в гетеропереходе, вызванное этим электрическим полем, характеризуется контактной разностью потенциалов . Поскольку контактирующие материалы имеют различные энергии электронного сродства, на их границе возникают еще и дополнительный разрыв в энергии края зоны проводимости, равный

и соответствующим разрыв в энергии края валентной зоны:

Если в каждом из полупроводников, составляющих гетеропереход, тип проводимости одинаков, то такой гетеропереход называют изотипным, а если тип проводимости различен, то — анизотипным. Идеализированные энергетические диаграммы нзотипных и анизотипных гетеропереходов в системе Ge-GaAs показаны на рис. 3.

Ясно видно, что разрывы зон на гетерогранице возникают даже в изотипных гетеропереходах.

Рис.3. Идеализированные энергетические диаграммы гетеропереходов Ge - GaAs. а — изотипный n-n-гетеропереход, б, в — анизотипные р-n - и п-р - 1 гетеропереходы

Также следует иметь в виду, что при расчете распределения электрического поля в гетеропереходе необходимо учитывать различие диэлектрических проницаемостей в контактирующих полупроводниках. Если на гетерогранице нет электрически активных дефектов, то условием сшивания решений уравнения Пуассона в каждом из полупроводников должно быть равенство значений потенциала и электрической индукции D на границе раздела. Так, повторяя вычисления с учетом указанных условий, для р-п-гетероперехода получаем

где, – диэлектрические проницаемости полупроводников, а – контактная разность потенциалов.

Главным недостатком модели Андерсона является пренебрежение дипольным слоем, который может возникать на границе двух полупроводников. Дело в том, что работа по переносу электрона из одного полупроводника в другой не равна разности их электростатических потенциалов. Реальный электрон чувствует производимое им возмущение в полупроводнике за счет кулоновского отталкивания и квантовомеханических обменных эффектов, то есть кроме электростатической энергии взаимодействия необходимо учитывать еще и корреляционную энергию.

В упрощенной модели Френсли-Крёмера эта энергия выражалась через разность средних электроотрицательностей составляющих полупроводники атомов (понятно, что перераспределение заряда на границе двух полупроводников за счет разности электроотрицательностей будет приводить к образованию дипольного слоя).

Все сказанное выше относилось к случаю резких гетеропереходов, в которых толщина переходного слоя между двумя полупроводниками мала по сравнению с другими длинами (в частности, толщиной области пространственного заряда). Существует и другая разновидность гетеропереходов, в которых в процессе изготовления толщина переходного слоя намеренно делается большой и получается так называемая варизонная структура. Примером варизонной структуры может служить структура, созданная на основе пары – , ширина запрещенной зоны в широкозонной части которой ( ) изменяется с координатой в соответствии с изменением параметра состава х твердого раствора.) В этом случае на энергетических диаграммах вместо разрывов зон появляются участки, на которых наклоны краев зоны проводимости и валентной зоны различны (из-за зависимости Еg от координаты).

БУДУЩЕЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР

Поскольку сравнительно недавно были получены впечатляющие результаты для коротковолновых источников излучения на основе селенидов и нитридов, имеет смысл говорить о продуктивном развитии гетероструктур и их активном применении на практике.

Естественная и наиболее предсказуемая тенденция — применение гетероструктурных концепций и технологических методов к новым материалам, так как с более общей и глубокой точки зрения, гетероструктуры представляют собой способ создания новых типов материалов — гетерополупроводников.

Классические гетероструктуры уже достаточно совершенны, и мы используем многие из их уникальных свойств повседневно, но создание новых, более совершенных – реально.

Многие ученые внесли свой вклад в развитие гетероструктур, и, я уверен, будет еще множество исследований в данном направлении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. М.: Наука, 1964. Т. 3.

2. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1965. Вып.4.

3. Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2008.

4. Шалимова К.В. Физика полупроводников: СПб: Издательство “Лань”, 2010.

5. Грундман, М. Основы физики полупроводников. Нанофизика и технические приложения: М.:ФИЗМАТЛИТ, 2012.