7.6. Гетеропереходи та низьковимірні структури

Ще одним типом бар’єрних структур є гетероперехід – контакт двох різних за своєю природою напівпровідників з різною шириною забороненої зони (рис. 7.8 а). Гетеропереходи характеризуються рядом специфічних особливостей, що дають

а)	б)
Рис. 7.8. Зонна діаграма гетеропереходу p-GaAs – n-Ga1-xAlxAs (твердий розчин алюмінію в арсеніді галію змінного складу (0 < x < 1) а) до та б) після встановлення рівноваги

можливість створення на їх основі принципово нових за своїми якостями напівпровідникових пристроїв.

Для мінімізації спотворень кристалічних ґраток контактуючих матеріалів, що спричинять виникнення істотних деформацій гетеропереходу, для їх виготовлення використовуються кристали, які мають рівні значення коефіцієнту теплового розширення і однаковий період ґратки. Дана умова різко зменшує кількість матеріалів, придатних для виготовлення гетеропереходів. Найпоширенішими серед таких є Ge, GaAs та тверді розчини – трикомпонентні типу GaAlAs, або чотирикомпонентні, наприклад InGaAsP.

Характерною особливістю зонних діаграм гетеропереходів є можливість появи розривів енергії на металургійній межі переходу типу піку (на рис. 7.8 б він показаний реалізованим у зоні провідності). Піки можуть реалізовуватися на межі стикування однієї або обох зон, залежно від ширини забороненої зони E_g, спорідненості до електрона і типу електропровідності кристалів.

На відміну від звичайних переходів, у гетеропереходах висота потенціального бар’єра для електронів і дірок різна. Так, у випадку, показаному на рис. 7.8 б, вона значно менша для електронів, ніж для дірок і залежить від величини розриву енергії у зоні провідності.

Якщо ширина потенціального піку незначна, то електрони здатні долати його внаслідок тунельного ефекту. У випадку, показаному на рис. 7.8, для дірок, що рухаються від напівпровідника n-типу, гетероперехід являє собою високий потенціальний бар’єр. У протилежному напрямку вони рухаються без перешкод. Наявність потенціального бар’єру для основних носіїв заряду у гетеропереході надає йому властивостей, характерних для бар’єра Шотткі. Зауважимо, що на основі гетеропереходу можна створювати не тільки p – -n-, але й p – p- та n – n-структури. Усі вони володіють випрямляючими властивостями, що дає можливість створювати на їх основі напівпровідникові діоди.

Перед потенціальним піком (на рис. 7.8 б – зліва) утворюється потенціальна яма. Електрони, що потрапили до неї, можуть вільно рухатися вздовж межі металургійного переходу, а у перпендикулярному напрямку їх рух обмежений, тобто їхній рух набуває ознак двовимірного.

Характерні значення ширини потенціальної ями не перевищують довжини хвилі де Бройля для електрона у даному напівпровіднику, тому його рух у напрямку переходу квантується – у ямі утворюється декілька рівнів, рознесених на значну відстань один від одного.

Рис. 7.9. Зонна діаграма гетеропари (1 – область, запов-нена електронами, 2 – дірками)

Квантова яма у напрямку переходу утворюється також при створенні двох послідовних гетеропереходів (рис. 7.9); такі системи називаються гетеропарами, (при більшій кількості гетеропереходів – гетероструктура-ми). Гетеропара одержується при розміщенні напівпровідника з вужчою забороненою зоною, між двома іншими, заборонена зона яких ширша. У гетероструктурах електрони можуть вільно рухатися тільки у площині паралельній до стінок квантової ями (у цьому напрямку їх енергетичний спектр має зонну структуру), а тому їхній рух – двовимірний. З цієї причини структури такого типу називають двовимірними або 2D-структурами.

Фізичні властивості електронної системи 2D-структури істотно відрізняються від її властивостей у звичайних тривимірних (3D) – змінюється густина квантових станів у дозволених зонах, що вносить зміни у спектр акустичних і оптичних коливань атомів ґратки, а тому й у закономірності протікання кінетичних і оптичних явищ.

Створенням гетеропереходів у двох взаємно-перпендикулярних напрямках можна обмежити рух електронів провідності так, що вони зможуть вільно рухатись тільки в одному напрямку; у двох інших він квантується. Такі структури називають одновимірними або 1D-структурами.

Обмеженням руху електронів по усіх трьох напрямках одержують нульвимірну структуру – квантовий ящик, рух електрона у якій квантується в усіх трьох напрямках, подібно до його руху в атомі.

Фізика низьковимірних структур (nD, n <3) – галузь фізики твердого тіла, що зазнала бурхливого розвитку в останні десятиліття минулого віку. Це пов’язане у першу чергу зі створенням напівпровідникового лазера основі гетеропереходу GaAs/AlGaAs та новими можливостями, що з’явилися внаслідок появи технологій створення надзвичайно тонких шарів контактуючих кристалів. При ширині шару 1 – 10 нм структура зонного спектру набуває ознак енергетичного спектру атома – множини енергетичних рівні, відстань між якими залежить від розміру кристалу в усіх напрямках руху електрона. Гетероструктури з тонкими (у декілька нанометрів) шарами називаються “квантовими ямами”, 1D-структури у цьому випадку називаються квантовими дротами, а нульвимірні – квантовими точками. Залежність енергетичного спектру названих наноструктур від розміру дає можливість створювати приймачі і джерела електромагнітного випромінювання з довільною частотою (зокрема лазери з малими струмами накачки), чого неможливо зробити на основі традиційних технологій.