4.15. Гетеропереходы

Новые возможности совершенствования полупроводни­ковых приборов открывает использование гетеропереходов – переходов между полупроводниками с различной зонной структурой. Эти возможности связаны с различием в ширине запрещенной зоны элементов гетероперехода, изменением формы потенциального барьера, а также с механически на­пряженным состоянием какого-либо элемента.

Гетеропереход образуется двумя полупроводниками, различающимися шириной запрещенной зоны. Параметры кристаллических решеток полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что ограничивает выбор материалов. В настоящее время наиболее исследо­ванными являются пары: германий – арсенид галлия, арсенид галлия – мышьяковидный индий, германий – кремний. Различают n-p и p-n гетеропереходы (на первое место ставится буква, обозначающая тип электропроводности полупроводника с более узкой запрещенной зоной). На основе гетеропереходов возможно также создание струк­тур n-n и p-p. Гетеропереход называется изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом электропроводности, и анизотипным, если полупроводники имеют разный тип электропроводности.

На границе гетероперехода происходит изменение свойств полупроводникового материала: структуры энергетических зон; ширины запрещенной зоны; эффективных масс носителей заряда и их подвижностей.

Возможность создания гетероперехода определяется сущест­вованием двух полупроводников с одинаковым типом кристал­лической решетки, близкими значениями периода решетки и технологической возможностью их совместного изготовления. При этом важно, чтобы периоды кристаллических решеток двух соседних областей, имеющих различный химический состав, были почти одинаковы. В этом случае кристаллическая решетка не будет содержать дефектов.

Основными параметрами гетероперехода являются поло­жения границ запрещенной зоны, а именно – разрывы зоны проводимости ΔW_C и валентной зоны ΔW_B . В зависимости от соотношения знаков ΔW_C и ΔW_B различают гетеропереходы I и II рода. На гетеропереходе I рода параметры ΔW_C и ΔW_B имеют разные знаки, и края зон смещаются в противополож­ных направлениях. При этом меньшая запрещенная зона на оси энергии находится целиком внутри большей запрещен­ной зоны (4.29, а). На гетеропереходе II рода параметры ΔW_C и ΔW_B одного знака, и края зон смещаются в одном направлении. При этом запрещенные и разрешенные зоны материалов, образующих гетеропереход, перекрываются (рис. 4.29, б).

П ервые модели гетеропереходов предполагали, что меха­низм образования скачков зон аналогичен механизму образова­ния контактной разности потенциалов на р-n переходе: уровень энергии электрона в вакууме на гетеропереходе непрерывен, а разрыв зоны проводимости определяется разностью электрон­ных сродств полупроводников

Однако эксперименты показали, что этот подход справед­лив далеко не всегда. Физическая причина состоит в том, что взаимодействие находящихся вблизи гетероперехода атомов отличается от их взаимодействия в объеме. При сохранении электронейтральности гетероперехода в целом относитель­ное перераспределение электронной плотности в микроско­пической области вблизи гетероперехода характеризуется дипольным моментом, который приводит к разрыву уровня энергии электрона в вакууме. Разрыв зон на гетеропереходе зависит от деталей формирования межатомных связей. Существенную роль играет также деформационный потенциал в напряженных гетероструктурах.

Гетеропереходы можно создавать на основе различных материалов, но, пожалуй, наиболее удачной парой для создания гетероперехода является арсенид галлия GaAs и твердый раствор Al_xGa_1-xAs, в котором часть атомов галлия замещена атомами алюминия. Величина х – это доля атомов галлия, замещенных атомами алюминия, обычно она изменяется в пределах от 0,15 до 0,35 эВ. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия составляет 1,5 эВ, а в Al_xGa_1-xAs она растет с увеличением х. Различие периодов решетки GaAs и AlAs составляет всего 0,12 %, однако в GaAs энергетический минимум зоны проводимости находится в центре зоны Бриллюэна, а в AlAs – на краю. Поэтому максимальная величина разрыва зоны проводимости достигается при х = 0,3 и составляет около 0,3 эВ.

Довольно перспективными в настоящее время считаются гетероструктуры на основе тради­ционных полупроводников Si – SiGe, в которых могут быть получены в 2 – 3 раза более высокие, чем в кремнии, значения подвижности как электронов, так и дырок.

Р ассогласование постоянных решетки германия и кремния составляет 4,2 %, что вызывает механические напряжения в более тонком слое гетероструктуры. На рис. 4.30 показаны энергетические диаграммы гетеропереходов Si – Si₀₇Ge₀₃, в которых напряжен­ными являются слои Si₀₇ Ge₀₃ (а) или Si (б).

В первом случае реализуется гетеропереход I рода, во втором – гетеропереход II рода. В последнем случае разрывы зоны проводимости и валентной зоны примерно одинаковы при почти одинаковой ширине запрещенной зоны (ΔW_зз = 0,1 эВ), что позволяет со­здавать на комплементарные пары полевых транзисто­ров с высокими подвижностями электронов и дырок в канале.

Рассмотрим энергетическую диаграмму р-п гетероперехода, представленную на рис. 4.31.

В этом случае полупроводник п-типа имеет широкую запрещенную зону, а полупроводник р-типа – узкую.

Если эти полупроводники изолированы, то их энергетические диаграммы имеют вид, представленный на рис. 4.31, а.

При создании контакта полупроводников происходит совмещение уровней Ферми п- и р-областей, но, в отличие от обычного р-п перехода, на металлургической границе х₀ образуются разрывы, равные разностям энергий свободных и валентных зон:

; .

Возникающие вблизи х₀ изгибы границ зон обусловлены образованием обедненных слоев (х₀ – х_п) и (х_р – х₀), содержащих заряды доноров и акцепторов. Величина изгибов и равна внутреннему потенциальному барьеру, образующемуся в обедненных слоях (рис. 4.31, б).

Сумма представляет собой контактную разность потенциалов, определяемую разностью уровней Ферми в п- и р-областях:

.

Для гетероперехода величина потенциального барьера, определяемая выражением , не совпадает с высотой потенциальных барьеров электронов и дырок. Высота потенциального барьера для электронов, движущихся из п-области в р, равна

.

Для дырок, движущихся из р-области в п, она равна

.

В результате для электронов потенциальный барьер окажется ниже, чем для дырок на величину

.

В результате этого при подаче прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов в дырочный полупроводник. Аналогичным образом можно осуществить инжекцию дырок в электронный полупроводник. В этом состоит отличие гетероперехода от обычного р-п перехода.

В обычных переходах, как правило, имеет место двухсторонняя инжекция неосновных носителей заряда: электроны при подаче на переход прямого напряжения инжектируются в дырочную область полупроводникового кристалла, а дырки – в электронную. Изменяя концентрацию примеси в дырочной и электронной областях полупроводникового кристалла, можно получить разный уровень инжекции. Однако полностью исключить инжекцию неосновных носителей заряда в одну из плоскостей кристалла невозможно. Применение гетеропереходов позволяет получить одностороннюю инжекцию и тем самым существенно улучшить параметры полупроводниковых приборов.

Если концентрация акцепторов N_а в p- области ге­тероперехода достаточно мала, а концентрация доноров N_d в п-области достаточно велика, то уровень Ферми в р-области вблизи границы раздела попадает в зону проводимости. В результате вблизи границы раз­дела формируется тонкий инверсионный слой, обо­гащенный электронами, подобно тому, как это происходит в структуре МДП.

Ввиду малой эффективной массы электронов в канале квантование их энергетического спектра в направлении оси х ограничивает движение электронов в этом направлении (элек­троны не могут перемещаться в направлении оси х без изме­нения энергии). Таким образом, электроны в канале образуют систему с пониженной размерностью – двухмерный электронный газ. Форма потенциальной ямы вблизи границы гетероперехода (х = 0) близка к треугольной.

Таким образом, можно утверждать следующее.

Хорошими парами для гетеропереходов являются полупро­водниковые соединения А³В⁵, из которых наиболее изученной является пара GaAs – Al_xGa_1-xAs. Введение индия в GaAs существенно повышает подвижность электронов.

В гетероструктурах Si – SiGe могут быть получены в 2 – 3 раза более высокие, чем в кремнии, значения подвижностей как электронов, так и дырок. Использование механических напряже­ний в более тонком слое гетероструктуры позволяет направленно изменять свойства энергетической диаграммы.

Если значения диэлектрических проницаемостей в гетеро-областях различаются незначительно, ширина гетероперехода, ее зависимость от напряжения и контактная разность потенциалов определяются теми же соотношениями, что и для обычного р-п перехода.

В гетеропереходах n⁺ – p^- вблизи границы раздела формируется тонкий инверсионный слой, обогащенный электронами, с пониженной размерностью – двухмерный элек­тронный газ.

Поверхностная концентрация двухмерного элек­тронного газа является линейной функ­цией расстояния между уровнем Ферми и дном зоны проводимости на границе раздела.

Контрольные вопросы и задания

1. Какой полупроводник называется неоднородным?

2. Чем вызваны диффузионный и дрейфовый токи?

3. Что называется коэффициентом диффузии?

4. В чем состоит соотношение Эйнштейна?

5. Что является причиной искривления энергетических зон в неоднородном полупроводнике?

6. Что называется электронно-дырочным переходом?

7. Что называется объемным зарядом и за счет чего он образуется?

8. Опишите процессы, определяющие состояние р-п перехода в условиях равновесия.

9. Как выглядит энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода в условиях равновесия?

10. В чем отличие потенциального барьера от контактной разности потенциалов?

11. Что называется диффузионной длиной?

12. Как влияет внешнее воздействие на свойства р-п перехода?

13. Что называется инжекцией носителей заряда?

14. Почему обратный ток насыщения не зависит от напряжения?

15. Что собой представляет вольт-амперная характеристика идеализированного р-п перехода?

16. Почему обратный ток насыщения не зависит от напряжения?

17. Что такое симметричный и несимметричный переходы?

18. Как влияют на вольт-амперную характеристику процессы генерации и рекомбинации в переходе?

19. Как определить толщину р-п перехода?

20. Что называется барьерной емкостью и какова ее природа?

21. Что называется диффузионной емкостью и какова ее природа?

22. Назовите основные особенности контактов п – п⁺, р – р⁺, п – п_i, p – p_i.

23. Что такое работа выхода?

24. Назовите основные особенности контакта металл – полупроводник.

25. В чем отличие реальной поверхности полупроводника от идеальной?

26. Что называют быстрыми и медленными состояниями?

27. Как состояние поверхности влияет на электропроводность электронно-дырочного перехода?

28. Какие переходы называются гетеропереходами?

29. В чем отличие гетеропереходов I и II рода?

30. Какие материалы применяются для создания гетеропереходов и какие требования к ним применяются?