4.2. Гетеропереходы

Гетеропереходы, представляющие контакт двух разнородных полупроводников с различной шириной запрещенной зоны и различной степенью легирования, получили широкое практическое применение в излучающих и фотоэлектрических приборах (светодиоды, лазеры, фотодиоды и др.). Использование гетеропереходов в полевых и биполярных транзисторах позволяет значительно увеличить их рабочие частоты, что важно в сверхвысокочастотных (СВЧ) аналоговых и сверхскоростных цифровых ИС.

При этом полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры с практически равными параметрами кристаллической решетки. Большая заслуга в получении полупроводниковых гетеропереходов и исследованиях их свойств принадлежит лауреату Нобелевской премии по физике (2002 г.) академику Ж.И. Алферову и возглавляемой им научной школе.

Для получения гетеропереходов обычно используется метод жидкостной эпитаксии, позволяющий изготовить не только двухслойные но и многослойные (четырех- и пятислойные) гетероструктуры.

Эпитаксия – это осаждение атомов одного вещества на поверхность другого вещества. При одинаковых (изоморфных) кристаллических структурах осаждаемого вещества и подложки кристаллическая структура осаждаемой эпитаксиальной пленки (атомы Б) повторяет кристаллическую структуру подложки (атомыА, рис. 4.12,а). Из-за небольшого несоответствия параметров кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки в месте контакта обычно наблюдается повышенная плотность дислокаций (рис. 4.12,б).

Наиболее распространенными методами эпитаксии являются жидкостная и газовая.

Жидкостная эпитаксияосуществляется методом разлива на поверхности подложки расплава полупроводника и последующего медленного охлаждения. В процессе кристаллизации на поверхности полупроводниковой подложки образуется достаточно толстая монокристаллическая пленка наращиваемого полупроводника толщиной до 10…20 мкм.

Газовая эпитаксияосуществляется способом осаждения на монокристаллическую подложку атомов инородного материала из газовой фазы. Толщина эпитаксиальной пленки, полученной при газовой эпитаксии. невелика и составляет 1…3 мкм.

Наиболее освоенными являются гетеропереходы между твердыми растворами полупроводниковых соединений A³B⁵:Al_xGa_1-xAs-GaAs, GaAs_xP_1-x-GaAs, GaAs_xP_1-x-GaP, Ga_xIn_1-x As-InPи др. (здесь х=0,2…0,3 – атомное содержание одного из компонентов твердого раствора). При этом толщина эпитаксиальной пленки твердого раствора достигает 0,1…20 мкм, толщина несущей подложки соединенияA³B⁵ – до 0,3 мм. Практическое применение находят также гетеропереходы на основе контакта элементарного полупроводника и соединенияA³B⁵, например, Ge-GaAs.

Характеристики наиболее распространенных полупроводников, используемых для изготовления гетеропереходов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1
Полупроводник	Ширина запрещенной зоны ΔWg, эВ	Параметр кристаллической решети, а, нм
GaAs	1,43	0,5650
Al0,3Ga0,7As	1,80	0,5655
Ge	0,66	0,5650

Отличия свойств гетеропереходов от переходов в монокристаллах (гомопереходов) вытекают из энергетических зонных диаграмм. На рис. 4.12, бпоказана энергетическая зонная диаграммаN-pгетероперехода, у которого ширина запрещенной зоныN-полупроводника, Δφ_g1, больше, чем уp- полупроводника, Δφ_g2 (символNуказывает на бóльшую ширину запрещенной зоныn-области)

В качестве исходных на рис. 4.13, апоказаны энергетические диаграммы полупроводников – широкозонного (N-типа) и узкозонного (p-типа) до контактирования.

Важным параметром, характеризующим пару полупроводников, является разность энергий Δφ_сдна зоны проводимости:

Δφ_с= φ_с1- φ_с2. (4.25а)

Разность энергий потолка валентной зоны выражается через Δφ_v:

Δφ_v= Δφ_g1 - Δφ_g2- Δφ_с. (4.25б)

Из рис. 4.13, бследует, что на металлургической границеN-pгетероперехода образуются разрывы границ зон, равные Δφ_си Δφ_v. Изгибы границ зон вблизиN-pконтакта связаны с образованием обедненных слоев толщинойl_n иl_p, содержащих объемные заряды ионов доноров и акцепторов. Значение изгиба краев зон φ₀₁и φ₀₂равно внутренней разности потенциалов, образующихся в обедненных слоях.

Назовем полной контактной разностью потенциалов φ_кнесмещенногоn-pгетероперехода величину

φ_к=φ₀₁+ φ₀₂= φ_Fn1- φ_Fp2, (4.26)

где φ_Fn1и φ_Fp2– энергии уровней Ферми вN-иp– полупроводниках до контактирования.

Однако, для гетероперехода значение φ_кне совпадает с высотой потенциального барьера. Как следует из рис. 4.13,б, высота потенциального барьера для электронов, движущихся изN- вp-область, будет равна

φ_кn=φ_к- Δφ_с. (4.27а)

Высота потенциального барьера для дырок, движущихся из N-вp-область, равна

φ_кp=φ_к+ Δφ_v. (4.27б)

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

φ_кp- φ_кn= Δφ_g1- Δφ_g2. (4.28)

Это правило распространяется и на другие гетеропереходы: высота потенциального барьера для основных носителей со стороны широкозонного полупроводника любого типа проводимости уменьшается на величину соответствующего разрыва зон.

Поэтому, при приложении к гетеропереходу прямого напряжения будет преобладать односторонняя инжекция основных носителей из широкозонной области в узкозонную область, даже при равных концентрациях легирующих примесей в обеих частях гетероперехода.

Значения коэффициентов инжекции электронов γ_nдляN-pгетероперехода и дырок γ_p– дляP-nгетероперехода, рассчитываются, соответственно, по формулам

→1 и →1,

где j_эNиj_эP– электронная и дырочная составляющие тока через гетеропереход.

Таким образом, можно получить коэффициент инжекции тока эмиттера, близкий к единице (то есть, одностороннюю инжекцию).

Этим гетеропереход принципиально отличается от гомоперехода.

В качестве примера рассмотрим гетеропереход между Al_0,3Ga_0,7As n-типа проводимости и GaAs p-типа: N-Al_0,3Ga_0,7As – p-GaAs. Твердый раствор N-Al_0,3Ga_0,7As, легированного теллуром, представляет собой тонкую эпитаксиальную пленку, выращенную методом жидкофазной эпитаксии на подложке p-GaAs, легированного цинком. Ширина запрещенной зоны твердого раствора Al_0,3Ga_0,7As, ΔW_g1=1,8 эВ, концентрация доноров N_d=10²² м^-3, плотность состояний вблизи дна зоны проводимости, N_с=4,7·10²³ м^-3. Параметры подложки p-GaAs: ΔW_g2=1,42 эВ, концентрация акцепторов N_a=10²³ м^-3, плотность состояний вблизи потолка валентной зоны, N_v=7·10²³ м^-3.

Экспериментальные исследования и расчеты показывают, что в этом случае параметры зонной диаграммы рис. 4.14, б следующие: φ_к=1,65 В; φ_кn =1,27 В; φ_кp =1,65 В; Δφ_с=0,38 В; Δφ_v= 0 В. Ширину обедненного слоя можно рассчитать по формуле, аналогичной (4.5).

Рассмотрим теперь гетеропереходы между полупроводниками одного типа проводимости. На рис. 4.14, апоказана энергетическая диаграмма для полупроводниковp-типа, где Δφ_g1Δφ_g2иN_a1>> N_a2. Высота потенциального барьера для электронов, переходящих из областиp₂в областьбудет равна

= _к+Δφ_с. (4.29а)

Применение гетероперехода позволяет значительно повысить потенциальный барьер для неосновных носителей, переходящих в область p₂, причем он может существовать даже приN_a1 N_a2. Это используется на практике для ограничения области накопления неосновных носителей тока.

Например, для системы P-Al_0,3Ga_0,7As – p-GaAs при N_a1=10²³ м^-3, N_a2=10²² м^-3 имеем _кn=0,42 В, тогда как для гомоперехода контактная разность потенциалов равна =0,06 В.

Аналогичная ситуация наблюдается и для N⁺-nгетеропереходов (рис. 4.14,б). В данном случае высота потенциального барьера для дырок, переходящих из областиn₂в областьбудет равна

=_к+ Δφ_v. (4.29б)

Большая высота барьера гетеропереходов P⁺-p,N⁺-n– типа для неосновных носителей, инжектированных из узкозонной области, позволяет улучшить параметры полупроводниковых приборов.

Применение гетеропереходов. N-p и P-nгетеропереходы широко используются для изготовления светоизлучающих диодов (СИД) и полупроводниковых лазеров.

Светоизлучающие диоды.Физическая структура СИД показана на рис. 4.15,б. При подаче прямого смещения на гетеропереход происходит инжекция основных носителей заряда из широкозонного эмиттера в подложку из узкозонного GaAs. В результате процесса излучательной рекомбинации из подложкиGaAsиспускаются кванты света с энергиейW_фот=hf, гдеh=4,14·10^-15эВ·с – постоянная Планка,f≈5·10¹⁴Гц – частота излучения. Свет слабо поглощается в широкозонном эмиттере и излучается с поверхности через собирающую линзу.

Лазерный диод. Эффект возникновения когерентного излучения наблюдается при сильном легировании обоих частей гетероперехода до концентрацийN≈10²⁵м^-3, соответствующих состоянию вырождения.. Такие гетеропереходы обозначаютсяN⁺-p⁺илиP⁺-n⁺. Зонная диаграмма и физическая структура лазерного диода, на который подано прямое смещении, представлена на рис. 4.16,аиб.

Кристалл лазерного диода представляет скол полупроводникового кристалла, выращенного на полупроводниковой подложке в направлении <100>. Противоположные грани кристалла образуют две параллельные зеркальные плоскости, образующие резонатор Фабри-Перо. Вынужденное когерентное излучение возникает при плотности тока, превышающей пороговую (критическую), J_пор>10³А/см²(рис. 4.15,в) и представляет собой расходящийся пучок света. Характеристики современных полупроводниковых лазеров: потребляемый токI_пот=100…200 мА; пороговая плотность токаJ_пор=1,5…3 кА/м²; напряжение питанияU_пит≈2 В; размеры активной области 300×10 мкм. Для сопряжения оптической системы лазера со световодом используется фокусирующая волоконная линза.

Свойство односторонней инжекции в p-nгетеропереходах с сильнолегированной базой может быть использовано в биполярных транзисторах. Гетеропереходы между полупроводниками одного типа проводимости применяются для создания полевых СВЧ транзисторов и сверхскоростных цифровых ИС.