7.5. Гетеропереходы

Гетеропереход представляет собой контакт двух различных по своей природе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Примерами гетеропереходов могут быть переходы германий-кремний, германий-арсенид галлия, и т.д. Для получения переходов с минимальным количеством дефектов на границе раздела кристаллическая решетка одного полупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого. В связи с этим полупроводникам следует иметь близкие значения постоянной решетки и идентичные кристаллические структуры.

В отличие от обычных p-nпереходов (гомопереходов), создаются каканизотипныеp-nгетеропереходы, так иизотипныеN-nилиP-pпереходы. У гетеропереходов часто большей буквой обозначают материал с большей шириной запрещенной зоны или ставят эту букву первой в сочетании (P-p,n-p). Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероперехода между полупроводникомp-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводникомn-типа с узкой запрещенной зоной (рис. 7.10). За начало отсчета принята энергия электрона в вакуумеE₀. ВеличинаА– истинная работа выхода электрона, называемая такжесродством электрона. Она отсчитывается не от уровня Ферми, как термодинамическая работа выхода, а от дна зоны проводимости.

При создании контакта между полупроводниками в процессе установления термодинамического равновесия уровни Ферми выравниваются, а уровень E₀непрерывен и его разница равнаφ₀= ^χ₂- ^χ₁, как и в случае гомоперехода. Но в энергетической диаграмме гетероперехода имеются отличия. Поток валентной зоныE_vпретерпевает разрыв ΔE_v(в данном контакте). Кроме того, в этом контакте зона проводимости имеет пик и яму на границе разрываЕ_с.

Эта яма обычно заполнена электронами. Если ширина потенциального пика незначительна, то электроны могут преодолевать его туннелированием. Для разрывов дополнительно можно записать

ΔE_с=A₂–A₁, (7.54)

ΔE_v =(A_{2 –} A₁)+(E_v2 – E_v1). (7.55)

Если в гомопереходе потенциальные барьеры для электронов и дырок имели одинаковую величину (χ_p – χ_n), то в гетеропереходе в силу различия запрещенных зон это не так. В рассматриваемом контакте потенциальный барьер для электронов в зоне проводимости меньше, чем барьер для дырок в валентной зоне.

^χ₁

E_V1

E_C2

E_V2

а)

б)

А₂

^χ₂

E_ф1

Рис. 7.10. Энергетическая диаграмма n-pгетероперехода:а– исходное состояние;

б– контакт

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшается, и электроны из n-области будут инжектироваться вp-область. Потенциальный барьер для дырок также уменьшится, однако останется достаточно большим, чтобы инжекции дырок практически не было.

Следует отметить, что в случае, когда широкозонным является не электронный, а дырочный полупроводник, потенциальный пик и яма образуются в валентной зоне, а ΔE_c оказывается больше ΔE_vт.е., инжекция осуществляется из дырочного полупроводника.

Общих методов расчета вольт-амперной характеристики гетероперехода не существует ввиду сложности механизма электропереноса, который существенно зависит от положения пика и ямы. Так, если пик расположен ниже E_c , то инжекция электронов происходит по диффузионному механизму, как в случае гомоперехода. Если же пик расположен вышеE_c , то действует инжекционный механизм, как и в диоде Шоттки (п. 7. 2). В этом случае ВАХ записывается в виде

, (7.56)

где b – коэффициент, учитывающий генерационно-рекомбинационные процессы; 1<b<2;

j_нас – ток насыщения диода Шотки;

j_пр – предельный ток эмиссии.

Реальные гетеропереходы имеют более сложные выражения для ВАХ.

Как уже отмечалось, существуют изотипные гетеропереходы. Поскольку и в этом случае запрещенные зоны различных полупроводников различны, вольт-амперная характеристика такой структуры оказывается нелинейной и может быть описана выражением (7.56).

Отличительной особенностью n-n-перехода является то, что в прямой проводимости участвуют только основные носители. Это значит, что при переключении полярности на переходе, в нем не будет происходить процесса рассасывания неосновных носителей, как в гомопереходах. Следовательно, время переключения высокоскоростных изотопных гетеропереходов может достигать 0,3 – 1 нс.

Преимущества гетеропереходов позволяют эффективно использовать их в различных областях электроники и микроэлектроники. Вот их краткое перечисление.

1. Эффект односторонней инжекции. В гетеропереходах за счет разновысоких потенциальных барьеров для дырок и электронов всегда наблюдается преимущественная инжекция носителей из широкозонной области в узкозонную. Так, в гетеропереходе n-кремний p-германий при комнатной температуре отношение I_p/I_n ≈ e^-16, что практически равно нулю.

2. Эффект суперинжекции.В гетеропереходе инжекция носителей заряда может быть больше, чем обусловлено их концентрацией в эмиттере. Причиной эффекта является потенциальная яма в зоне проводимости (рис. 7.10) или валентной зоне, где накоплен заряд. Этот эффект оценивается отношениями

,, (7.57)

Величина этого отношения достигает 10³.

3. Эффект электронного ограничения. Используютблокирующиеизотипные гетеропереходы, расположенные на очень малом расстоянии от инжектируещего. Они препятствуют активному растеканию зарядов из области перехода. Ширина области уменьшается, что позволяет улучшить импульсные свойства перехода или уменьшить активную область в инжекционном полупроводниковом лазере.

4. Эффект широкозонного окна.Дает возможность вывести оптическое излучение из активной области лазера или светодиода через широкозонную область, поскольку излучение, созданное на переходеnν ≈ E_g, не поглощается в зоне, гдеE_g2 > E_g1.

Все эти и другие свойства гетеропереходов позволяют создавать современные электронные устройства.

За цикл работ по физике гетеропереходов и приборов на их основании академик РАН Ж.И. Алферов удостоен в 2000 г. Нобелевской премии.