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, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.