108.2. Технологии изготовления сверхрешеток.

МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия; МЭМОС – молекулярная эпитаксия из металл-органических соединений; ПАЭ – послойная атомнаяэпитаксия; ПФЭ – паровая фазовая эпитаксия; ХПЭ – химическая паровая эпитаксия; ЖЭ – жидкостная эпитаксия.

МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ

МЛЭ представляет собой процесс эпитаксиального роста тонких слоев различных соединений за счет реакций между термически создаваемыми молекулярными или атомными пучками соответствующих компонентов и поверхностью подложки, находя­щейся в сверхвысоком вакууме при повышенной температуре. МЛЭ характеризуется:

1) малой скоростью роста порядка 1 мкм/ч;

2) относительно низкой температурой роста;

3) возможностями резкого прерывания и возобновления роста за счет использования механических заслонок вблизи эффузионных ячеек для всех компонентов;

4) возможностями введения различных парообразных компонен­тов для изменения состава слоя и управления концентрацией приме­сей путем введения удобным образом дополнительных источников, создающих требуемые молекулярные пучки;

5) наличием атомно-гладкой поверхности растущего кристалла;

6) возможностями анализа в ходе роста.

Эти черты метода МЛЭ позволяют создавать сверхрешетки по своему качеству пригодные для приборных применений.

1–блок нагрева, 2–подложка, 3–заслонка отдельной ячейки, 4–эффузионные ячейки основных компонентов пленки, 5–эффузионные ячейки легирующих примесей.

где т — масса молекулы,  – молекулярный вес, R — газовая по­стоянная, Т — абсолютная температура Если р₂=0, а дав­ление в ячейке р₁ обозначать через р, то:

где N_A – число Авогадро.

108.3. Практическое применение сверхрешеток.

В последнее время сверхрешеточные структуры все больше входят в употребление. В частности начали создавать новые приборы на сверхрешеточных структурах.

Одной из привлекательных особенностей сверхрешеток является тот факт, что, изменяя расположение атомов различных элементов в сверхрешетке, можно управлять видом ее функции плотности со­стояний р(Е) – важнейшего параметра, определяющего электриче­ские и оптические свойства полупроводниковых кристаллов. Для любого однородного кристалла или сплава р(Е) имеет параболиче­ский вид, обращающийся в нуль на краю зоны. С другой стороны, в сверхрешеточной структуре р(Е) имеет ступенчатую форму и ко­нечна даже при минимально возможной энергии. Подобный вид функции плотности состояний дает сверхрешетке преимущество над однородным кристаллом в отношении оптических свойств. Это преимущество используется для создания лазерных диодов с рекордно низким пороговым током.

Сверхрешетки находят применение и в светодиодах. В частно­сти, введение в такой диод активной области в виде напряженной сверхрешетки исключает необходимость использовать для прибо­ров лишь изопериодические полупроводниковые системы или выра­щивать варизонные участки для борьбы с дислокациями несоот­ветствия. Это достоинство проявилось при создании светодиодов на основе сверхрешетки GaAs/GaAs_1-xSb_x.

27 (2-3-4) Толщина шара объемного заряда р-n-перехода.

т.о. если конц-ия примесей в одном из областей превышает концентр. Примесей в другой области то область объемного заряда распространяется в основном в сторону области с более низкой конц-ей основн. носителей заряда.

29. ВАХ p-n-перехода.

Рис. Хар-ка р-n перехода (вольтамперная);

Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в р-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном пере­ходе отсутствует и они будут втягиваться полем в области р-п пере­хода. Это явление называется экстракцией.

При обратном включении преобладающую роль играет дрейфо­вый ток, который имеет небольшую величину, так как он создается движением неосновных носителей. Этот ток получил название обратного тока: I_обр= I_др – I_диф.

Величина обратного тока практически не зависит от внешнего обратного напряжения. Это можно объяснить тем, что в единицу времени количество генерируемых пар электрон — дырка при неизменной температуре остается неизменным.

Вольтамперная характеристика р-п перехода

Свойства электронно-дырочного перехода наглядно иллюстри­руются его вольтамперной характеристикой (рис.), показыва­ющей зависимость тока через р-п переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитическим выражением вольт­амперной характеристики р-п перехода является формула:

где I₀—обратный ток насыщения р-п перехода, определяемый физическими свойствами полупроводникового материала;

Формула пригодна как для прямых, так и обратных на­пряжений (прямое напряжение положительное, обратное—отри­цательное). Из формулы следует, что при положительных (прямых) напряжениях ток через р-п переход с увеличением напря­жения резко возрастает. При отрицательных (обратных) напряже­ниях показатель степени числа е — отрицательный. Поэтому при увеличении обратного напряжения величина еxp(-eU/kT) становится значительно меньше единицы и ею можно пренебречь. При этом I=I_обр - I₀ т. е. - обратный ток равен току насыщения и в оп­ределенных пределах остается величиной практически постоянной. Обычно ток I₀ имеет величину порядка микроампер.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к про­бою р-п перехода, при котором обратный ток резко увеличивается.

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии (зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой).

Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках аналогична электростатической эмиссии электронов из металла. Сущность этого явления заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодо­ления высокого потенциального барьера в области р-п перехода. Двигаясь с большей скоростью на участке р-п перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате такой ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые, в свою очередь, разгоняются полем и создают всевозрастающее количество носителей тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через р-п переход. Таким образом, чрезмерно увеличивать обратное напряжение нельзя. Если оно превысит максимально допустимую для данного р-п перехода ве­личину (U_{обр.мах} на рис. ), то участок р-п перехода пробьется, и р-п переход потеряет свойство односторонней проводимости (тепловой пробой).

Тепловой пробой р-п перехода происходит вследствие вырыва­ния валентных электронов из связей в атомах при тепловых колеба­ниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар элект­рон—дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.