Гетероструктура. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гетероструктура - полупроводниковая структура с неск. гетеропереходами (ГП). Возможность изменять на границах ГП ширину запрещённой зоны

и диэлектрическую проницаемость

позволяет в Г. эффективно управлять движением носителей заряда, их рекомбинацией, а также световыми потоками внутри Г.

Рис. 1. Зонные диаграммы гетероструктуры типа N--р-P: а-в равновесии; б - при прямом смещении;

- уровень Ферми,

квазиуровни Ферми

Электронное ограничение. На рис. 1, а показана зонная диаграмма Г. типа N-р-P (двойная Г., ДГ). Предполагается, что толщина d узкозонного р-слоя меньше диффузионной длины (L)неравновесных носителей. При прямом смещении (рис. 1, б)барьер в зоне проводимости на изотипном р-P-ГП ограничивает сквозной диффузионный ток электронов, инжектированных в р-слой, а барьер в валентной зоне на N-р-ГП - сквозной ток дырок (ограничение сквозного тока имеет место и в Г. типа N-п-P). В большинстве случаев, когда разрывы в зонах

(T - темп-pa кристалла), сквозным диффузионным током в ДГ можно пренебречь и в р-слое имеет место полное ограничение инжектир. носителей, т. е. локализация неравновесных носителей зарядов в узкозонной части Г., ограниченной более широкозонными полупроводниками. В этом случае плотность j тока прямого смещения определяется только рекомбинацией носителей заряда в узкозонном (активном) слое:

где

- концентрация неравновесных носителей, инжектированных в активный слой,

- их время жизни, е - элементарный заряд. При толстом р-слое

. Отсюда следует, что при одинаковой плотности тока в ДГ за счёт электронного ограничения концентрация неравновесных носителей

в тонком р-слое

в LId раз больше, чем в толстом.

Оптическое ограничение (волноводный эффект). T. к. узкозонный слой имеет обычно больший показатель преломления n₁>n₂ (рис. 2), то в нём имеет место волноводное распространение света, обусловленное полным внутренним отражением света на границах. Оно отчётливо проявляется, когда

(

- длина волны света). Волноводный эффект может наблюдаться как при освещении Г. извне, так и для света излучат. рекомбинации внутри узкозонного слоя. Последний случай наиб. важен в большинстве практич. применений (см. ниже).

Рис. 2. Волноводный эффект в двойной гетероструктуре n₁- показатель преломления узкозонного слоя, n₂- широкозонных слоев; E²(z) - зависимость интенсивности световой волны от координаты z.

Структура эл--магн. полей, соответствующих локализованным волнам (собственным модам оптич. волновода, см. Световод ),может быть найдена из решений ур-ний Максвелла, если в полупроводниковых слоях Г. известна функция n(z). Волноводные свойства Г. могут изменяться под влиянием внеш. воздействий, напр. при возбуждении в узкозонном слое неравновесных носителей, т. к. в зависимости от их концентрации изменяется диэлектрическая проницаемость узкозонного слоя.

Практическое применение. Наиб. важное применение Г.- т. н. оптоэлектронные приборы (гетеролазеры, гетеросветодиоды). В Г., активная область к-рых представляет собой прямозонный полупроводник типа A^IIIB^V с

~1 эВ, внутр. квантовый выход излучат. рекомбинации (отношение числа носителей, рекомбинирующих с излучением фотона, к общему числу инжектированных в узкозонный слой носителей)

~100% в широком диапазоне степени легирования и температуры (включая 300К). T. о., при рекомбинации неравновесных носителей в активной области Г. энергия внеш. источника практически полностью может быть преобразована в световую энергию (см. Гетеролазер).

В гетеросветодиодах (источниках спонтанного излучения) излучающая область также прямо-зонный полупроводник A^IIIB^V. Вывод излучения обычно осуществляется перпендикулярно плоскости Г. через верхний широкозонный слой (эмиттер, плоское т.

Г. применяются для создания приёмников оптического излучения - фотодиодов, лавинных фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров, преобразователей ИК-излучения в видимое. Наиб. быстродействие и чувствительность имеют Г. типа п⁺ - п°-Р или p⁺ -p°-N (+ означает сильное легирование, ° - слабое), освещаемые через широкозонную область. Такие приборы обладают быстродействием ~10^-10 -10^-11 с и

, близкой к 100%. Изменяя состав и, следовательно,

компонент, можно в широких пределах изменять диапазон спектральной чувствительности фотоприёмников. Использование Г. в лавинных фотодиодах позволяет управлять их осн. параные диоды), максимальный внешний квантовый выход (отношение числа вышедших фотонов к числу рождённых)

~40%. Плоскостные ИК-диоды используются в оптронах. ИК-диоды для волоконных линий связи (см. Волоконная оптика)обладают высокой энергетич. яркостью, которая достигается как за счёт локализации области протекания тока, так и за счет сужения диаграммы направленности излучения вследствие волноводных эффектов, проявляющихся при выводе излучения через боковые грани кристалла, параллельно плоскости ГП (торцовые диоды). Быстродействие для диодов с сильнолегированными активными областями ~10^-8-10^-9 с (см. также Светоизлучающий диод).

Рис. 3. Зонная структура солнечных гетерофотоэлементов: а - структуоа с промежуточным варизонным слоем; б - структура с промежуточным преобразованием КВ-света в люминесцентное излучение.

Ввод и вывод излучения в Г. без поглощения позволили создать эффективные эл--люминесцентные фототиристоры (усилители света), а также преобразователи ИК-излучения в видимое, ДВ-граница чувствительности к-рых значительно сдвинута по сравнению с др. электронно- оптическими преобразователями.

На основе Г. типа п-р-P созданы солнечные батареи. Область их спектральной чувствительности

~ 0,4-0,9 мкм, что соответствует максимуму спектрального распределения интенсивности солнечного света; кпд ~ 25%, плотность снимаемой мощности ~ 40 Вт/см². Наиб. преимуществами по сравнению с др. преобразователями обладают солнечные гетерофотоэлементы при работе с концентрир. потоками солнечной энергии. Гомопереход р-п создаётся в узкозонном полупроводнике (рис. 3); широкозонное "окно", через к-рое падает излучение, состоит из неск. слоев полупроводников постоянного (с постоянным

) и переменного (варизонный полупроводник) составов. Для собирания макс. кол-ва фотонов осуществляется преобразование частоты коротковолновой

части спектра солнечного света. В 1-м случае (рис. 3, а) часть фотонов поглощается в варизонном полупроводнике и рождённые носители доставляются внутр. "тянущим" полем E_i к р-n-переходу, в цепи к-рого возникает электрич. ток. Во 2-м случае (рис. 3, б) поле E_i доставляет носители в тонкий слой

, где они рекомбинируют, а излучённые при этом фотоны поглощаются в области объёмного заряда р-n-перехода.

Г. с прямозонными широкозонными полупроводниками, обладающими малыми временами

жизни неравновесных носителей и малыми их диффузионными длинами L, позволили создать быстродействующие диоды, транзисторы и тиристоры, работающие при комнатных темп-pax (Т~300К). В выпрямительных полупроводниковых диодах для увеличения пробивных напряжений требуется увеличение толщины слаболегир. области (базы), в к-рой находится пространственный заряд. Это приводит к возрастанию потерь при протекании тока в прямом направлении из-за роста падения напряжения на базе. В гетеродиодах с плавными гетеропереходами низкое падение напряжения на базе N⁰ достигается благодаря увеличению L в "тянущем" поле. Увеличение эффективной величины L в базе осуществляется в Г. за счёт переноса носителей собств. рекомбинац. излучением.

В биполярных гетеротранзисторах с широкозонным эмиттером за счёт одностороннего характера инжекции эффективность эмиттерного гетероперехода ~1, независимо от легирования базовой и эмиттерной областей (см. Транзистор ).В гетеротранзисторах базовая область может быть легирована сильнее эмиттерной, что, уменьшая сопротивление базы и ёмкость эмиттерного перехода, повышает быстродействие. Для предотвращения инжекции дырок в коллектор, затягивающей время рассасывания, в импульсных гетеротранзисторах наряду с широкозонным эмиттером используется и широкозонный коллектор. В полевых транзисторах на ДГ с узкозонным каналом за счёт электронного ограничения улучшаются шумовые характеристики, а широкозонный затвор улучшает управление каналом.

T. к. тиристор может быть представлен в виде комбинации двух транзисторов с Г. типа р-п-р и п- р-п, между к-рыми существует положит. обратная связь по току, то всё сказанное о гетеротранзисторах применимо и к гетеротиристорам. Высокий

позволяет управлять напряжением включения путём преобразования электрич. сигнала в оптический в самой Г. и последующего его преобразования в электрический на коллекторном переходе. Это исключает ограничения на время включения, связанное с диффузией и дрейфом носителей заряда, а также с временем распространения включённого состояния.

Гетеролазеры и гетерофотоприёмники, используемые в сочетании с плёночными полупроводниковыми волноводами, могут выполняться на основе единой Г. и на общей полупроводниковой подложке объединяться (интегрироваться) в оптич. схему (методами Планерной технологии). Для управления условиями генерации и распространения света часто используются сложные Г., активный слой к-рых состоит из неск. слоев постоянного или плавно изменяющегося состава с соответствующим изменением

. Помимо локализации света в пределах одного или неск. слоев в плоскости ГП, при создании интегрально-оптич. схем возникает необходимость дополнит. локализации световых потоков в плоскости волноводных слоев (в плоскости ГП). Такие волноводы наз. полосковыми и создаются изменением либо состава и свойств полупроводника в плоскости волноводного слоя, либо толщины слоев. "Встраивание" гетеролазера в волноводную схему осуществляется с помощью оптического резонатора, образуемого периодич. модуляцией толщины волноводного слоя. При определ. выборе периода модуляции благодаря дифракции в волноводе возникает волна, бегущая в обратном направлении. В результате формируется распределённое отражение света (см. Интегральная оптика).

Материалы и технология. В приборах на основе Г. чаще всего используются полупроводники A^IIIB^V и A^IVB^VI. На основе бинарных соединений может быть получен лишь дискретный набор значений

Однако практически между всеми бинарными соединениями образуются 3- и 4-компонентные твёрдые растворы, замещения (напр., между GaAs и AlAs образуются

; между

), варьирование состава (х, у)к-рых позволяет плавно изменять

(рис. 4). Наиб. широко используются Г.:

Твёрдые р-ры на основе соединений A^IIIB^V перекрывают диапазон изменения

~0,2-2,5 эВ. Отсюда спектральный диапазон оптоэлектронных приборов простирается от видимого света (

=0,51 мкм) до ИК-излучения (

=7,6 мкм).

В Г. на основе 3-компонентных твёрдых растворов условие изопериодичности лучше всего выполняется для твёрдых растворов

, где Z_V - элемент V группы периодической системы элементов. В 4-компонентных твёрдых растворах при изменении х, у изменяется параметр решётки а. Поэтому условие изопериодичности с подложкой выполняется лишь в ограниченной области х, у. Тем самым спектральный диапазон приборов на Г. с 4-компонентными твёрдыми растворами уже, чем при полном наборе х и у.

Рис. 4. Диаграмма

- параметр решетки а для полупроводниковых соединений и твёрдых растворов A^IIIB^V.

Для получения Г. применяются 3 метода: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), хим. осаждение из газовой фазы (ХОГФ) и молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ). В наиб. широко используемом методе ЖФЭ осаждение эпитаксиального слоя происходит из раствора-расплава, к-рый находится в контакте с поверхностью подложки (для A^IIIB^V растворитель чаще всего элемент III группы). Метод ХОГФ применяется в основном для выращивания эпитаксиальных Г. на основе полупроводников A^IIIB^V. В методе МПЭ эпитаксиальные слои выращиваются осаждением на подложке атомов и молекул, потоки к-рых формируются в сверхвысоком вакууме.

Литература по гетероструктурам

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.