6 Гетеропереходы и квантовые размерные структуры

6.1 Полупроводниковые гетеропереходы

6.1.1 Общие сведения

Развитие методов молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений привело к созданию полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур с атомной гладкостью границ, прецизионно заданными толщинами слоев, их составом и профилем легирования. Такие структуры могут служить основой для изготовления многих перспективных полупроводниковых приборов и интегральных устройств¹⁶ [5-7, 16].

Обычные гомопереходы образуются в полупроводнике за счет изменения концентрации и типа носителей заряда [17]. В гетеропереходах - в области контакта двух различных по химическому составу материалов - происходит, сверх этого, изменение ширины запрещенной зоны, показателя преломления и др. электрофизических характеристик, таких как диэлектрическая проницаемость, электронное сродство, геометрические параметры решетки, эффективная масса носителей заряда, их подвижность. В резком гетеропереходе это изменение происходит на уровне одного или двух-трех молекулярных слоев, в плавном контактная область простирается на десятки, а иногда и сотни периодов кристаллической решетки¹⁷.

В обозначении гетероперехода принято указывать тип проводимости полупроводника с узкой запрещенной зоной строчными буквами (n или p), а с широкой запрещенной зоной - прописными (N или Р) [16]. На первом месте обычно указывают тип проводимости более узкозонного материала. Так, изотипные гетеропереходы обозначают как n-N или p-Р, а анизотипные как n-Р или р-N.

В реальном гетеропереходе на межфазной границе возможно появление различных дефектов и, как следствие, поверхностных состояний. Важно, чтобы их влияние на свойства перехода было мало. Наиболее сильное влияние на отклонение свойств гетероперехода от идеального оказывает различие в параметрах решеток и в температурных коэффициентах линейного расширения контактирующих материалов. Обычно различие параметров решеток не должно превышать 0,1 %. Дополнительным требованием является совпадение кристаллохимической природы материалов гетероперехода.

Н аиболее полно указанным требованиям удовлетворяют трех- или четырехкомпонентные твердые растворы в группе полупроводниковых соединений А₃В₅: Al_xGa_1-xAs, Al_xGa_1-xSb, Al_xGa_1-xP, Ga_xIn_1-xP_yAs_1-y. При изменении состава в трехкомпонентных твердых растворах изменяются одновременно и период идентичности решетки, и ширина запрещенной зоны. В четырехкомпонентных твердых растворах типа Ga_xIn_1-xP_yAs_1-y при определенных соотношениях между х и у возможны изменения ширины запрещенной зоны при неизменном периоде идентичности решетки. Такой ряд твердых растворов называют изопериодным. Гетеропереходы, изготовленные на основе изопериодных твердых растворов, по своим характеристикам наиболее близки к идеальным.

Рисунок 6.1 - Энергетические диаграммы р-N- (а) и

n-P - гетеропереходов (б) в условиях теплового равновесия.

ΔE_v и ΔE_c - разрывы в валентной зоне и зоне проводимости

В резких гетеропереходах (см. рис. 6.1) вследствие скачка диэлектрической проницаемости и электронного сродства контактирующих материалов появляются разрывы в валентной зоне (ΔE_v) и в зоне проводимости (ΔE_c), причем

ΔE_v + ΔE_c = E_g1 – E_g2.

Соотношение между ΔE_v и ΔE_c различно для разных материалов. Для гетеропереходов GaAs - Al_xGa_1-xAs при x < 0,4 на долю ΔE_v приходится около 40 %, а на долю ΔE_c - около 60 % от разности (E_g1 – E_g2) [16].