9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР

9.1. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

9.1.1. Типы гетеропереходов

В гл. 7 и 8 обсуждались -переходы, образованные введением небольшого количества примесей в полупроводниковый материал. Они могут быть названы гомопереходами. Однако, как показано на рис. 7.3 и 7.4, существуют совершенно различные полупроводниковые материалы, которые тем не менее имеют одинаковые или почти одинаковые постоянные кристаллической решетки. Поэтому они могут образовывать один монокристалл. На границе между ними меняется ширина запрещенной зоны, электронное сродство, диэлектрическая проницаемость и другие свойства. Такие переходы между полупроводниками, имеющими согласованные решетки, но различные свойства, называются гетеропереходами.

В гетеропереходах каждый из полупроводников может быть -типа или -типа. Таким образом, могут быть реализованы четыре комбинации. Если использовать для широкозонного материала обозначения прописной буквой или а для узкозонного — строчной или то возможны следующие переходы с различными свойствами: Кроме того, могут появиться различия, обусловленные разным электронным сродством. Система электронных уровней в двух изолированных материалах, образующих гетеропереход, показана на рис. 9.1. Эта система соответствует свободным GaAs и GaAlAs, причем материал с узкой зоной имеет большее электронное сродство, а различие мало, так как As присутствует в обоих полупроводниках.

Для плоского гетероперехода, как и для обсуждавшегося в § 7.6 гомоперехода, электростатический потенциал определяется одномерным уравнением Пуассона

где локальная концентрация зарядов, диэлектрическая проницаемость материала, координата, перпендикулярная переходу. Изменение градиента потенциала указывает на наличие некомпенсированного заряда. Вакуумный, уровень остается непрерывным, но

Рис. 9.1. Равновесные уровни энергии электронов двух изолированных полупроводников

внутри материала имеются изменения положения краев зон В нашем примере (гетеропереход между

На рис. 9.2 представлена равновесная схема энергетических уровней идеального скачкообразного перехода между материалами, уровни которых изображены на рис. 9.1, когда оба полупроводника легированы до -типа. Разность потенциалов в переходе приводит к

Рис. 9.2. Равновесные уровни энергии электронов в сечении гетероструктуры

Рис. 9.3, Типичная вольт-амперная характеристика, полученная для гетероперехода. [A. Chandra and L. F. Eastman, Rectification at n-n GaAs. As Heierojunctions. - Ets. Letts. 15, 90 1 (1-Feb. 1979).]

Рис. 9.4. Вольт-амперная характеристика гетероструктуры, образованной между GaAs и GaAIAs. [J. F. Womac and R. H. Rediker. The graded-gap AIGai_xAs-GaAs heterojunction. - J. Appl. Jhys, 43. 4129 -33 (1972).]

образованию обедненного слоя для электронов в области 2 и обогащенного слоя для электронов в области 1. Роль неосновных дырок незначительна. Потенциальный барьер для электронов дает увеличение неомической проводимости при низких напряжениях смещения. Слабо легирован

Рис. 9.5. Равновесные электронные уровни в сечении гетероперехода

легированные резкие гетеропереходы между проявляют выпрямительные свойства, как показано на вольт-амперной характеристике (рис. 9.3). Однако вообще гетеропереходы в системе GaAlAs/GaAs имеют омические характеристики типа (рис. 9.4). Может наблюдаться и неомический характер (рис. 9.4), но такой переход оказывается нестабильным. Омический характер зависимости может объясняться тем, что практически переход оказывается не скачкообразным, а имеет протяженность, сравнимую с толщиной обогащенного или обедненного слоя. В таком случае всплеск потенциала не оказывает существенного влияния, а электроны и дырки свободно пересекают переход под действием приложенного напряжения. Необходимо отметить, однако, что точная структура гетероперехода очень сложна и не полностью понята. Заметные напряжения в области перехода

Рис. 9.6. Электронные уровни в сечении гетероструктуры: а — в равновесии: б - при положительном смещении

Рис. 9.7. Электронные уровни в сечении гетероструктуры: а — в равновесии; б - при положительном смещении

и рост концентрации ловушечных уровней возникают уже при рассогласовании решеток порядка 0,1 %. Скорость рекомбинации на гетеропереходе можно связать с изменением постоянной решетки приближенным соотношением

Значительно большие, но весьма локализованные изменения потенциала могут вызываться ловушечными уровнями. Серьезной технологической проблемой оказывается минимизация кристаллических нарушений в области перехода.

На рис. 9.5 показана схема энергетических уровней в идеальном резком гетеропереходе, образованном двумя полупроводниками, соответствующими рис. 9.2, когда оба они легированы до состояния -типа и переход находится в равновесии. Различие энергетических

уровней и приводит к выравниванию потоков носителей через переход. При малых напряжениях смещения, которые не препятству потоку носителей, должен наблюдаться омический характер.

Равновесное состояние энергетических уровней, соответствующее переходу, представлено на рис. 9.6, а. Действие небольшого положительного смещения иллюстрируется рис. 9.6, б. Соответственно на рис. 9.7, а, б показаны энергетические уровни для перехода в равновесном состоянии и при слабом положительном смещении. На всех этих диаграммах слева находится материал -типа, а справа — -типа. Узкозонному материалу соответствует цифра 1, а широкозонному — цифра 2. В каждом случае предполагается нормальная диодная характеристика.