книги / Микроструктуры интегральной электроники

КЯ используется в элементах ИК-техники. Элементы на основе двух- и многообразных структур с заданным расположением дис­ кретных энергетических уровней способны обеспечить высокочув­ ствительный селективный прием, усиление, генерацию и преоб­ разование электромагнитных колебаний в среднем ИК-Диапазоне (?»—3—30 мкм). Квантово-размерные эффекты в слоях структур повышают их чувствительность к оптическому и электрическому возбуждению [74]. Нелинейные оптические устройства, созданные на многослойных гетероструктурах, обладают высоким быстродей­ ствием, работают при 300 К и небольших световых потоках. Варь­ ируя толщину слоев с КЯ и, следовательно, распределение, пара­ метры электронных состояний в КЯ, можно управлять спект­ ральными параметрами нелинейной среды. На этой основе разра­ ботаны высокоскоростные модуляторы света, низкоэнергетиче­ ские переключатели, регуляторы интенсивности. На основе эффек­

тических уровней в КЯ позволяют реализовать резонансное тун­ нелирование носителей через барьеры в КЯ и через дискретные

резкими изменениями величины тока и падающими участками с большой величиной ОДП. В результате влияния на перенос но­ сителей продольного рассеяния и пространственного заряда элек­ тронов, накопленных в КЯ, ВАХ структур может быть существен­ но нелинейной и на ней возникает участок гистерезиса. В этом случае структура может находиться в одном из двух устойчивых состояний [102, 102]. Особенности ВАХ и малая инерционность процесса резонансного туннелирования электронов в двухбарьер­ ных структурах (порядка 10-13 с) используются для создания на их основе элементов (высокочувствительных детекторов и смеси­ телей, в том числе активных смесителей с автонакачкой, автодинов, гетеродинных генераторов, входных смесителей и т. п.) при­ емных устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазо­ нов длин волн [89, 103]. Высокое быстродействие, малая мощ­ ность питания и возможность реализации различного вида ВАХ диодов на основе этих структур позволяют создавать элементы сверхбыстродействующих цифровых и логических устройств, где они могут использоваться в качестве переключателей, элементов оперативной памяти, компараторов с заданным порогом для ана­ лого-цифровых преобразователей и т. п. [100].

Особенно разнообразны функциональные возможности унипо­ лярных и биполярных транзисторов на основе двухбарьерных Структур [89]. Возможность реализации транзисторов с ВАХ сложной формы, сочетающих участки с положительной и отрица­

тельной крутизной, величину и положение которых можно регу­ лировать как подбором полупроводниковой структуры транзисто­ ра, так и изменением его электрического режима, позволяет поновому подойти к построению аналоговых и цифровых устройств. В СВЧ-электронике транзисторы с малоинерционной и электри­ чески регулируемой ОДП необходимы для создания усилителей,

с ОДП и отрицательной крутизной в логических схемах, диффе­ ренциальных усилителях, делителях частоты, счетчиках и других цифровых устройствах позволяет значительно упростить их структуру, уменьшить число используемых элементов, повысить экономичность, плотность упаковки и быстродействие этих уст­ ройств.

В результате сравнения характеристик и функциональных воз­ можностей, например, диодов, транзисторов на основе квантовых структур с известными их «классическими» аналогами [1, 2, 5, 20, 26] можно выделить основные физические предпосылки формиро­ вания квантовых элементов с принципиально новыми специфиче­ скими характеристиками и получения широкого спектра их функ­ циональных возможностей. 1. Для двухбарьерных структур с тол­ щиной слоев до нескольких постоянных решетки выполняются ус­ ловия (высокое совершенство кристаллической структуры и квазибаллистический пролет электронов), необходимые для сохране­

систему барьеров с участием резонансных дискретных уровней в КЯ в широком диапазоне температур, включая Г^ЗО О К . В ре­ зультате возможно получение ВАХ различной формы с участка­

Принципиально новые характеристики могут быть получены при переносе .носителей через одно-, дву- и трехмерные КЯ нормаль­ но к их границам при нанометровых размерах структур. 4. М а­ лая инерционность процесса туннелирования электронов в двух­ барьерных структурах ( ~ 10_13 с) позволяет создать на их осно­ ве элементы субпикосекундной и пикосекундной электроники, на­

му заметный выигрыш по сравнению с ДШ (см. гл. 1) не может быть не получен. Но преимущество таких структур перед ДШ — меньшая температурная чувствительность.

Развитие элементной базы микро (субмикро)-электроники на квантовых структурах основывается на результатах исследования новых механизмов формирования ОДП в структурах, обусловлен­ ных интерференцией электронных волн, новых проявлений кван­ товых интерференционных эффектов и на новых разрабатывае­ мых физических принципах их использования.

ГЛАВА 5. СВЕРХРЕШ ЕТКИ

В гл. 5 рассмотрены результаты исследований энергетической структуры сверхрешеток (СР), плазменных колебаний волн про­ странственного заряда в СР, явлений при переносе носителей за­ ряда, кинетических эффектов в СР в магнитном поле, явлений в спиновых и квазиатомных СР в основном .по [69—75, 102— 129]. Изложены проблемы, связанные с использованием изученных в СР явлений в элементах микроэлектроники на их основе.

8.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА СВЕРХРЕШЕТОК

Физические свойства СР определяются их электронным спект­ ром, который находится в результате решения уравнения Шре-

случае затруднено. Однако задача существенно упрощается бла­ годаря тому, что период СР значительно превышает постоянную кристаллической решетки, а амплитуда потенциала сверхрешетки много меньше амплитуды кристаллической решетки. Блатодаря этому энергетические зоны полупроводников, существовавшие до наложения потенциала А (г), исказятся под его влиянием лишь вблизи краев. Поэтому закон дисперсии носителей заряда можно считать квадратичным и использовать для нахождения энергети­

могут быть одно-, двух- и трехмерными. Для одномерных СР по­ тенциал— А (г). Квазидвумерные СР состоят из .ива нтово jp азм ерйых слоев полупроводника с ограниченной по двум направлениям

7^7777^777^77

а)

6)

t

Рис. 5 2. Композиционные CP I (а), II (б, в) и III (г) типов со слоями полу­ проводников:

GaAs (I), AlGaAs (2), GaSbAs (3}, GalnAs (41, GaSb (5), InAs (6), IlgTe (7), CdTc (S)

кие слои (1— 100 нм) различных полупроводников с близкими или отличающимися («напряженные» СР) постоянными решетки. Л е­ гированные СР сосюят из чередующихся улыратонких слоев п- и

Типы композиционных сверхрешеток. Среди композиционных СР выделяют три типа. В сверхрешетках I типа дно зоны прово­ димости <gV(I) и потолок валентной зоны 1Г„(1) одного полупро­ водника но энергии расположены в запрещенной зоне другого по­ лупроводника (рис. 5.2,а). В результате КЯ для электронов и ды­ рок в узкозонном полупроводнике чередуются с квантовыми барь­ ерами — в широкозонном.

В сверхрешетках И типа квантовая яма для электронов возни­ кает в одном полупроводнике, а для дырок — в другом. Возмож­ ны два варианта (рис. 5.2,6, в). Если скачок потенциала в валент­ ной зоне широкозонного полупроводника не превышает ширины запрещенной зоны узкозонного материала, то на границе раздела остается щель запрещенных энергий (см. рис. 5.2,6). Примером служит СР со слоями GaSbAs/GalnAs. В СР со слоями GaSb/InAs энергетическая щель исчезает (см. рис. 5.2,в), и при толщинах слоев не менее 8 нм полупроводники находятся в полуметаллическом состоянии в результате перехода электронов из GaSb в InAs.

Сверхрешетки III типа содержат безщелевой слой, например, HgTe и полупроводники CdTe или ZnTe, см. рис. 5.2,г.

Возможно такж е создание политипных СР, в которых возрас­ тает число комбинаций получения двумерного электронного и ды­ рочного газа в узкозонных материалах, при введении в сверхрешетку II типа дополнительного полупроводника (например, AlSb- GaSb-InAs).

Композиционные CP I типа (см. рис. 5.2,а) представляю! со­ бой такое периодическое чередование слоев двух полупроводников с толщиной di и du и шириной запрещенных зон &gw и ésy11). В результате возникает периодическая система КЯ для носителей заряда толщиной du которые отделены друг от друга квантовыми

Дисперсия энергетических мини-зон в приближении сильной связи имеет следующий вид:

то мини-зоны имеют заметную ширину для движения вдоль оси СР. Так, для du = 5 нм Дс,о » 1 0 мэВ (рис. 5.3). Таким образом, изменяя ширину ямы du можно выбрать нужное положение мини­ зоны &с.ь а выбирая ширину барьера du, задать ширину мини­ зоны |Ac.j | -

Расчет валентных мини-зон в СР подобен, но усложнен смешиванием сос­ тояний легких и тяжелых дырок. Необходимо учитывать перекрытие валент­ ных зон (см. рис. 5.2), а также непараболичность энергетических зон и отли­ чие эффективных масс носителей заряда в слоях полупроводников. Если полу­ проводники в СР имеют ту же кристаллическую структуру, постоянные решет­ ки и блоховские функции, тогда огибающие волновые функции ^(z) на поверх­

rç,2fz,k=0) 4\,(z.y-0) ЪлЬ.ь-о)

V„o(z, k=Oj ¥ut (z, k=0)

ной тяжелых дырок и зонами легких дырок, электронов и дырок из валент­ ной зоны, отщепленной сшш-орбитальным взаимодействием. С учетом взаимо­ действия трех последних зон уравнение приближения эффективных масс имеет следующий вид:

Этим методом рассчитаны CP I типа GaAs-Al*Gai-*As, HgTe-CdTe [106], Другие методы расчетов СР рассмотрены в [70].

Легированные композиционные CP I типа. В композиционных решетках I типа в основном состоянии при их формировании от­ сутствует перетекание носителей заряда через границы раздела слоев, поэтому легируют слои в этих СР. Энергия связи изолиро­

Alo.3Gao.7As, электроны с донорных центров Alo.3Gao.7As переходят В зону проводимости GaAs, создавая обедненные слои Alo.3Gao.7As.

Я)

Рис. 5.1 Энергетическая структура композиционных CP I типа-

fl—однородно легированных. б - модулировашю легированных, / донорные примесные Петры; 2 - - электронный хаз, I - пол>иропоаник GaAs, IIAlCxaj As

Эго вызывает искривление энергетических зон полупроводников в СР (рис. 5.4). Модулированно легированные СР (рис. 5.4,6) от­ личаются от однородно легированных СР (рис. 5.4,а) тем, что легируются только слои AhGai-jcAs. При этом подвижные носите­

высокую плотность носителей заряда в GaAs, сильно превышаю­ щую плотность имеющихся в GaAs центров примесного рассеяния. Это приводит к значительному росту подвижности электронов в том интервале температур, где механизм примесного рассеяния яв­ ляется определяющим. Особенно существенно возрастает подвиж­ ность, если области барьера вблизи поверхностей раздела не легируются. Возможно достижение концентраций электронов в СР, больших 1012 см-2, и подвижностей, больших 106 cmi/B-c.

поэтому можно ожидать, что через границы раздела будет проис­ ходить перетекание электронов из валентной зоны GaSb в зону проводимости InAs. Образующееся при этом иолуметаллическое состояние характеризуется сильным взаимодействием двумерных газов электронов и дырок. Однако если толщина слоев СР доста­ точно мала, то размерное квантование движения носителей заряда (5.7) может изменить взаимное расположение зоны проводимости InAs и валентной зоны GaSb (образуется СР типа данной на рис. 5.2,о). Переход полуметалл-полупроводник, происходящий в таких сверхрешетках при уменьшении периода СР, наблюдался экспери­ ментально [107].

Созданы СР II типа со слоями InAs/AISb/GaSb, т. е. слои InAs и GaSb разделены слоем A'Sb, ширина запрещенной зоны которо­ го существенно больше, чем у InAs и GaSb. В таких СР происхо­ дит туннелирование электронов из GaSb в InAs через слои AlSb.

При расчете зонной структуры СР II типа учитываются малая величина энергетических щелей полупроводников в СР, сильное

смешивание на поверхностях раздела состояний валентной зоны одного полупроводника (GaSb) и зоны проводимости другого (InAs) и поэтому проводится многозонное рассмотрение этих СР. Для исследования динамики носителей заряда с импульсами, пер­ пендикулярными оси СР, осуществляется адекватное описание эк­ стремумов энергетических зон, особенно вырожденной валентной зоны. Наличие перетекания носителей заряда через поверхности раздела требует самосогласованного расчета зонной структуры. Образование в результате перетекания носителей заряда квазидвумерной системы электронов и дырок высокой плотности требу­ ет учета многочастичных эффектов [70]. Однако большой размер элементарной ячейки делает целиком микроскопические расчеты затруднительными.

Напряженные композиционные СР. Малое рассогласование по­ стоянных решетки àa слоев в СР сопровождается как упругими деформациями, так и образованием плотности дефектов n - æ « 2 Ôa/a3. Если слои напряженных СР с рассогласованием постоян­

поверхностях раздела остается низкой. Например, исследование поглощения и излучения света в напряженной сверхрешетке GaSb/ AlSb показало, что это - композиционная СР 1 типа, и позволило определить } менынение энергетической щели GaSb, вызванное уп­ ругими деформациями. Постоянные решетки ах==0,60955 нм (GaSb), оц = 0,61355 нм (AlSb). В СР слои GaSb растягиваются, а слои AlSb сжимаются в направлениях, перпендикулярных оси сверхрешетки.

Анализ зонной структуры напряженных СР с учетом возникаю­ щих в них деформаций (в частности, изменение взаимного энерге­ тического положения мини-зон легких и тяжелых дырок) приве­ ден в [ 108].

Композиционные СР с пилообразным ходом потенциала. Ком­ позиционные сверхрешетки AlxGai- *As, в которых х линейно из­ меняется от 0 в начале периода до 0,2 в конце (период 50 нм), ха­ рактеризуются периодическим чередованием треугольных ям и барьеров (рис. 5.5). Зонная структура этих СР рассчитана в [109].

Композиционные СР с аморфными слоями могут быть состав­ лены из слоев аморфных гидрогенизированных полупроводников (a-Si : H, a-S ii-XNX: H, o-G : H, a-Gdi-xNx : H). У этих полу­ проводников не совпадают постоянные решетки и слои не являют­ ся эпитаксиальными. В этих СР барьерные слои (GaAs, Ge, Si) могут быть неориентированными, а слои КЯ (InSb, PbTe, CdTe) — монокристаллическими.

Отметим, что возможны также композиционные СР, у которых эффективный потенциал создается не периодическим изменением положения энергетических зон, а изменением эффективных масс 1109].

Легированные СР. Потенциал СР в легированных сверхрешет­ ках создается только пространственным распределением заряда. Введение примесей в слой полупроводника, которых много мень­ ше, чем атомов полупроводника, оказывает слабое воздействие на решетку полупроводника. Поэтому не возникает проблем, связан­ ных с наличием поверхностей раздела, как в композиционных СР. Кроме того, не имеется ограничений, связанных с выбором полу­ проводника для создания СР. Донорные центры в слоях СР яв­ ляются положительно заряженными, а акцепторные — отрица­ тельно заряженными, если концентрация примесей не слишком велика, а число акцепторов в p -слоях равно числу доноров в п- слоях. Влияние ионизованных примесей на потенциал сверхрешет­ ки V определяется решением уравнения Пуассона

с граничными условиями ( г = 0 соответствует середине и-слоя)

(5.15)

здесь пя (а/4) (z) — функция распределения доноров (акцепторов) [111].

Если легирование однородное, то потенциал Vi(z) является квадратичным в легированных слоях (рис. 5.6):