4. Модулированное легирование

Из вида температурной зависимости подвижности электронов в Si и GaAs можно сделать вывод о том, что при низких температурах предел подвижности носителей определяется в конечном счете рассеянием на модулированного легирования, предложенного Штормером и др.

Идея модулированного легирования иллюстрируется рис. 5.10. Два материала с почти равными постоянными решеток, но разной шириной запрещенной зоны выра­щиваются друг над другом, образуя гетеропереход. Одним из примеров хорошего гетероперехода, часто используемого при изготовлении лазерных диодов, является GaAs—Al_xGa_1–xAs

Постоянные решеток этих двух полупроводников различаются менее, чем на 1 %. Запрещен­ная зона AlGaAs с содержанием Аl менее 40 % является прямой и более широкой, чем запрещенная зона GaAs. Разность энергий между этими зонами распределяется меж­ду зоной проводимости и валентной зоной примерно в отношении 60/40 .

Рис. 5.10. Структура и зонная схема гетероперехода с модулированным легированием между

В результате на границе раздела возникает очень резкий разрыв зон (как схемати­чески показано на рис. 5.10). Если материал с большей шириной запрещенной зоны (AlGaAs) легируется мелкими донорами, то уровень Ферми смещается из середины запрещенной зоны к уровню донора. Для поддержания постоянного химического по­тенциала между обоими материалами электроны перетекают из AlGaAs в GaAs, что приводит к изгибу краев зон на границе раздела . Это явление назы­вается изгибом зон.

Вследствие изгиба зон электроны в GaAs оказываются запертыми потенциалом с приблизительно треугольной формой в области вблизи границы раздела (концен­трирование электронов), образуя двумерный (2D) электронный газ. Такие 2D-электроны физически отделены от ионизованных примесей в AlGaAs, и поэто­му они слабо рассеиваются заряженными примесями. Описанный метод называется модул ированным легированием . Если удается избежать рассеяния на дефектах границы раздела, то подвижность 2D электронного газа в образцах с моду­лированным легированием может достигать теоретического предела, определяемого рассеянием на фононах в отсутствии примесного рассеяния. С помощью этого метода в GaAs были достигнуты подвижности носителей, превышающие 10⁶см2/(В * с).

5. Полупроводниковые материалы для квантовых ям и сверхрешеток.

Несмотря на то, что прямоугольный потенциал в квантовых ямах является не един­ственным из существующих в наноструктурах, он тем не менее встречается наиболее часто. Получение резких интерфейсов накладывает жесткие ограничения на условия роста, такие как чистота исходных материалов, температура подложки и многие дру­гие, которые здесь не перечисляются. Однако в конечном счете качество интерфей­са между двумя различными материалами А и В, называемого гетеропереходом, определяется их химическими и физическими свойствами. Возможно, наиболее важным из них является различие между постоянными решеток. Если постоянные ре­шеток равны, то всем атомам материала А легко подстроиться относительно всех ато­мов В. Такое подстраивание решеток называется псевдоморфным ростом и крайне желательно для достижения высокого качества гетеропереходов. Существует всего несколько систем, у которых постоянные решеток очень близки. На рис. 9.2 при­ведена зависимость ширины запрещенной зоны при низких температурах от постоян­ной решетки для ряда полупроводников со структурой алмаза и цинковой обманки. Затененные вертикальные области охватывают группы полупроводников с близкими постоянными решеток. Материалы в пределах одной затененной области, но с раз­ной шириной запрещенных зон, можно, по крайней мере в принципе, использовать для получения гетеропереходов с некоторой величиной разрыва зон. Возможности выбора величины разрыва зон можно расширить посредством роста двойных (таких как SiGe), тройных (AlGaAs) и четверных (GalnAsP) твердых растворов. Сплошные линии на рис. 9.2, соединяющие некоторые полупроводники, показывают, что эти ма­териалы образуют стабильные твердые растворы во всем диапазоне концентраций (например, InGaAs, GaAlAs и InGaP). Руководствуясь приведенным рисунком, мож­но создавать гетеропереходы «на заказ» с желаемой величиной разрыва зон или КЯ с заданной формой потенциала. В этом заключается основная идея того, что Капассо назвал проектированием запрещенной зоны.

Рис. 9.2. График зависимости энергии запрещенной зоны при низкой температуре от по­стоянной решетки для ряда полупроводников со структурой алмаза и цинковой обманки. Затененные области объединяют группы полупроводников с близкими постоянными реше­ток. Полупроводники, соединенные сплошными линиями, образуют между собой стабильные твердые растворы