Гетероструктура
Гетерострукту́ра — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется так называемый гетеропереход, в котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей свободой выбора в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны. Гетероструктуры дают возможность управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.
Для выращивания гетероструктур используют много различных методов, среди которых можно выделить два основных:
Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с высокой точностью (до атомного монослоя[1]). Второй же не имеет высокой точности, но по сравнению с первым методом обладает более высокой производительностью.
За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алфёров (Россия) и Герберт Крёмер (США) были удостоены Нобелевской премии в 2000 году.
В рамках программы развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей и светодиодов.
История
Впервые на возможность использования свойств контакта двух различных полупроводников для повышения эффективности инжекции в биполярных транзисторах указывал Шокли в 1948 году.[2]
В 1957 году Герберт Кремер в своей работе[3] предположил, что гетеропереходы могут иметь более высокую эффективность инжекции по сравнению с гомопереходами.
Качественная модель формирования энергетической диаграммы гетероперехода была развита Р. Л. Андерсоном в 1960 году, им также был исследован первый эпитаксиальный монокристаллический гетеропереход Ge-GaAs с совпадающими постоянными кристаллической решетки[4].
Несколькими годами позже независимо Ж. И. Алферовым[5] и Г. Кремером[6] была сформулирована концепция лазеров на основе двойных гетероструктур (ДГС).
Алферов отмечал возможность достижения высокой плотности инжектированных носителей и инверсной заселенности для получения вынужденного излучения в данных структурах. Он показал, что плотность инжектированных носителей может на несколько порядков превосходить плотность носителей в широкозонном эмиттере (эффект ”суперинжекции”), а благодаря потенциальным барьерам на границе полупроводников рекомбинация в эмиттере равна нулю.
Наиболее перспективной для получения гетероструктур была система AlAs-GaAs, так как соединения AlAs и GaAs имеют близкие значения постоянных решеток, а GaAs в свою очередь обладает многими необходимыми свойствами, такими как малые эффективные массы носителей, высокая подвижность электронов, большая ширина запрещенной зоны, эффективная излучательная рекомбинация и резкий край оптического поглощения вследствие прямозонной структуры.
Разработка модификации метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), пригодной для роста гетероструктур, привела к созданию первой решеточно-согласованной AlGaAs-гетероструктуры. Были созданы большинство наиболее важных приборов, в которых используются основные преимущества гетероструктур:
- низкопороговые ДГС лазеры при комнатной температуре,
- высокоэффективные светодиоды на одиночной и двойной гетероструктуре[7],
- солнечные элементы на гетероструктурах[8],
- биполярные транзисторы на гетероструктурах[9],
- тиристорные p−n−p−n-переключатели на гетероструктурах.
Работы Ж. И. Алферова и Г. Кремера в области исследования гетеропереходов были отмечены присуждением им Нобелевской премии по физике в 2000 году.
В настоящее время гетеропереходы находят широкое применение при создании высокочастотных транзисторов и оптоэлектронных приборов. На базе гетероструктур создаются быстродействующие опто- и микроэлектронные устройства: лазерные диоды для систем передачи информации в оптоволоконных сетях; гетероструктурные светодиоды и биполярные транзисторы; малошумящие транзисторы с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), применяющиеся в высокочастотных устройствах, в том числе в системах спутникового телевидения; солнечные элементы с гетероструктурами, широко использующиеся для космических и земных программ.
См. также
Примечания
- W. Patrick McCray, MBE deserves a place in the history books, Nature Nanotechnology 2, 259—261 (2007) doi:10.1038/nnano.2007.121
- Shockley, W. "Circuit Element Utilizing Semiconductive Material," U. S. Patent 2,569,347 (Filed June 26, 1948. Issued September 25, 1951)
- H. Kroemer. Proc. JRE, 45, 1535 (1957); RCA Rev., 28, 332 (1957)
- L. Anderson. IBM J. Res. Develop., 4, 283 (1960); Sol. St. Electron., 5, 341 (1962)
- Ж.И. Алферов, Р.Ф. Казаринов. А. c. № 181737, заявка № 950840 с приоритетом от 30 марта 1963
- H. Kroemer. Proc. IEEE, 51, 1782 (1963) (Submitted October 14, 1963)
- Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.И. Корольков, Е.Л. Портной, А.А. Яковенко. ФТП, 3, 930 (1969)
- Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, М.В. Каган, И.И. Протасов, В.Г. Трофим. ФТП, 4, 2378 (1970)
- Ж.И. Алферов, Ф.А. Ахмедов, В.И. Корольков, В.Г. Никитин. ФТП, 7, 1159
Литература
- Джойс Б. А., Хекингботтом Р., Менх У. и др. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. — Под ред. Л. Ченга, К. Плога. Пер. с англ. под ред. Ж. И. Алферова, Ю. В. Шмарцева. — Москва: Мир, 1989. — 582 с. — ISBN 5-03-000737-7.
- Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // ФТП. — 1998. — Т. 32, № 1. — С. 3. — ISSN 0015-3222.
- Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. — Физматлит Москва, 2008. — 488 с. — ISBN 978-5-9221-0995-6.