Лекция 17

Гетеропереходы

1. Общие сведения о гетеропереходах

Гетеропереход – это переходный слой с существующим в нем диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.

На границе раздела обычно изменяются ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда, их эффективная масса и другие характеристики полупроводников. Так как гетеропереходы изготавливаются из двух различных материалов, их степень совершенства зависит от кристаллической структуры материалов, близости постоянных решетки, сорта и концентрации легирующих примесей, непрерывности и полярности связей, многих особенностей технологии изготовления. Надежная работа гетероперехода в качестве элемента прибора требует совпадения механических и тепловых констант материалов, в первую очередь коэффициента линейного расширения в широком интервале температур. Близость постоянных решетки является первым и важнейшим критерием «совместимости» материалов пары. Из–за этих факторов количество материалов для изготовления гетеропереходов ограничено. Для данных целей подходят, например, соединения типа A^IIB^VI, соединения типа A^IIIB^V. Наиболее распространенные пары веществ для гетеропереходов – этоGe-GaAs, GaAs-GaP, GaAs-IAs, GaAs-AlGaAs.

Различают n-р и р-n гетеропереходы (на первое место ставится буква, обозначающая тип электропроводности полупроводника с более узкой запрещенной зоной). На основе гетеропереходов возможно также создание структур n-n и р-р.

2. Энергетическая диаграмма гетероперехода

Отличия свойств гетеропереходов от переходов в монокристаллах (гомопереходов) вытекают из их энергетических диаграмм.

Рассмотрим энергетическую диаграмму идеального гетероперехода (рис. 1).

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводимости. Поэтому для каждой пары полупроводников можно, в принципе, осуществить четыре типа гетеропереходов: p₁-p₂,p₁-n₂,n₁-p₂,n₁-n₂. Но все они образуются по одному принципу. При образовании гетеропереходов из-за разных работ выхода электронов из разных полупроводников происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми в результате установления термодинамического равновесия. Все остальные энергетические уровни и зоны должны соответственно изогнуться, т.е. в гетеропереходе возникают диффузионное электрическое поле и контактная разность потенциалов. При этом энергетический уровень потолка верхней свободной зоны должен быть непрерывным.

Обычно энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, так как свободные энергетические зоны перекрывают друг друга. Разрыв дна зоны проводимости определяется различием энергии сродства к электрону двух контактирующих полупроводников (энергия сродства к электрону есть разница энергии потолка верхней свободной зоны и дна зоны проводимости). Разрыв потолка валентной зоны зависит как от разницы энергии сродства, так и от различия ширины запрещенных зон контактирующих полупроводников.

В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это и является особенностью гетеропереходов, обуславливающей их специфические свойства.

а) б)

Рис. 1. Энергетическая диаграмма идеального гетероперехода. а) переход в равновесном состоянии б) прямосмещенный переход

Здесь мы рассмотрим р-nгетеропереход, у которого ширина запрещенной зоныn-полупроводника больше, чем у р-полупроводника. Важным параметром, характеризующим пару полупроводников, является разность энергии дна зоны проводимости:

ΔW_П =W_П1-W_П2.

Разность энергии потолка валентной зоны выражается через ΔW_П:

ΔW_В = W_В2-W_В1= ΔW_З1-ΔW _З2-ΔW_П.

Для энергетической диаграммы реального гетероперехода (рис. 2) характерны разрывы границ зон, равные ΔW_Пи ΔW_В. на металлургической границе – х_0. Изгибы границ зон вблизих₀связаны собразованием обедненных слоев толщиной l_n и l_p, содержащих объемные заряды ионов доноров и акцепторов. Значение изгибов (qφ₀₁,qφ₀₂) равно внутренней разности потенциалов, образующейся в обедненных слоях.

φ₀= φ₀₁+φ₀₂= (W_F1-W_F2)/q

представляет собой контактную разность потенциалов. Так же как и для гомоперехода, она может быть выражена через уровни Ферми в изолированных полупроводниках.

Однако для гетероперехода φ₀не совпадает с высотой потенциального барьера. Высота потенциального барьера для электронов, движущихся из вn-в р-область, будет

φ_0n= φ₀-ΔW_П/q,

для дырок движущихся из в р- в n-область –

φ_0р = φ₀+ΔW_В/q.

Таким образом, для электронов барьер ниже, чем для дырок на величину

φ_0р-φ_0n=(ΔW_З1-ΔW _З2)/q.

Рис. 2. Энергетическая диаграмма реального гетероперехода в равновесном состоянии

Если вблизи границы раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход, возникают обедненные основными носителями слои) слои с повышенным сопротивлением), то основная часть внешнего напряжения, приложенного к структуре с гетеропереходом, будет падать на обедненных слоях. Высота потенциального барьера будет изменяться: уменьшаться при полярности внешнего напряжения, противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличиваться при совпадении их полярностей. Таким образом, гетеропереходы могут обладать эффектом выпрямления.

Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов и для дырок прямой ток гетероперехода связан в основном с движением носителей заряда только одного знака. Поэтому при приложении прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов, даже если p-область имеет такую же (а иногда и большую) концентрацию основных носителей, что и n-область. Таким образом, можно получить коэффициент инжекции γ, близкий к 1 (те одностороннюю инжекцию неосновных носителей заряда из широкозонного в узкозонный полупроводник):

,

где σ_Б и σ_Э – удельные проводимости базы и эмиттера, соответственно.

Это явление называется «суперинжекцией».

В гетеропереходах, образованных полупроводниками с одним типом электропроводности: p₁-p₂,n₁-n₂., выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда.

Зонная модель идеального гетероперехода, может быть использована для реальных гетеропереходов с определенным приближением, так как почти всегда на границе раздела гетероперехода присутствуют заряженные поверхностные состояния (уровень Ферми оказывается фиксированным, вместо ровного хода для одной из зон имеет место барьер типа Шоттки). Такие состояния, несмотря на развитие эпитаксиальной технологии, неизбежно возникают при образовании гетеропереходов вследствие появления краевых дислокаций из-за несоответствия кристаллических решеток.