Полупроводниковые наноструктуры

Так как потенциал сверхрешетки периодичен, то энергетический спектр электрона в направлении оси  сверхрешетки имеет зонный характер. Так как период сверхрешетки d значительно  больше постоянной кристаллической  решетки а, то получающиеся при этом сверхрешеточные зоны (минизоны) представляют собой более мелкое дробление  энергетических зон исходных полупроводников.

Плотность электронных состояний  в полупроводниковой сверхрешетке существенно отличается от соответствующей  величины в трехмерной электронной  системе. На рис. 7. показана зависимость  плотности электронных состояний   в сверхрешетке от энергии Е [1]. Интервал энергии содержит три первые минизоны. Ширина каждой из этих минизон обозначена соответственно  E1,  E2 и E3. Для сравнения на этом же рисунке приведены зависимости  (7) для трехмерного электронного газа (кривая 2) и   (i– целое) для двумерного газа электронов (штриховая ступенчатая линия 3).

Расщепление энергетической зоны полупроводника в направлении  оси сверхрешетки на ряд неперекрывающихся  минизон является общим результатом  для сверхрешеток разного типа. Дисперсионный  закон для носителей заряда в  минизонах, положение и ширина минизоны определяется конкретным типом сверхрешетки.

 

4.5 Исследование  полупроводниковых сверхрешеток

В работах по исследованию полупроводниковых сверхрешеток значительное место занимают вопросы, связанные  с изучением профиля сверхрешеточной  структуры и совершенства границ гетеропереходов. Из структурных методов  наибольшее распространение получили два: определение глубинного профиля  концентраций элементов методом  электронной оже-спектроскопии (ЭОС) в сочетании с ионным травлением и малоугловая дифракция рентгеновских  лучей.

На рис. 8 представлен экспериментальный  оже-профиль состава сверхрешеточной  структуры [2,4], состоящей из чередующихся слоев GaAs и Al0,25Ga0,75As. Толщина каждого  слоя составляла 5 нм. Точками на рисунке  показаны экспериментальные значения величины x в формуле AlxGa1-xAs. Эти значения были вычислены из отношения интенсивностей оже-пиков Al (1390 эВ) и As (1228 эВ). Профиль  концентрации Al получен последовательным стравливанием поверхностных слоев  сверхрешеточной структуры ионами аргона с энергией 1,5 кэВ. Скорость травления  составляла 0,3 – 1 нм/мин. Постепенное  уменьшение амплитуды осцилляций величины x по мере травления связано с  пространственным различием скоростей  травления по площади сфокусированного первичного пучка электронов.

Важные структурные характеристики мультислойных структур можно получить из результатов малоугловой дифракции  рентгеновских лучей. Для рентгенограмм  многослойных структур в области  малых углов отражения рентгеновских  лучей характерно наличие дополнительных рефлексов, обусловленные периодичностью сверхрешетки. Положения этих рефлексов  связаны с периодом сверхрешетки d:

, (8)

здесь   - длина волны излучения, n – порядок отражения.

На рис. 9 представлена дифракционная  картина в малоугловой области  для сверхрешетки GaAs – AlAs, содержащей 6 периодов [2]. Точки на этом рисунке  представляют экспериментальные результаты, сплошная кривая – результат теоретических  расчетов для d = 12,72 нм. Экспериментальная  и расчетная дифракционная картины  согласуются не только по положению  пиков, но и по интенсивности и  ширине линий. Штриховая кривая соответствует  теоретическим расчетам, при которых  изменен период сверхрешетки всего  на 0,28 нм, что соответствует изменению  толщины всего на два атомных  слоя. Отличие от экспериментальных  результатов в этом случае существенно. Эти оценки свидетельствуют о  возможности контроля этим методом  совершенства границ и когерентности  периодов с атомной точностью. В  случае плавного изменения межплоскостного  расстояния на границе между слоями сверхрешетки, кроме дополнительных рефлексов в малоугловой области  наблюдаются сверхструктурные рефлексы (сателлитные отражения), сопровождающие основные рефлексы на рентгенограммах.

 

Наличие дополнительных рефлексов  в малоугловой области и отсутствие сверхструктурных рефлексов, сопровождающих основные дифракционные пики, свидетельствует  о совершенстве границ раздела

Идея создания полупроводниковой  сверхрешетки возникла в результате поиска новых приборов с отрицательным  дифференциальным электросопротивлением. При наложении внешнего электрического поля по оси сверхрешетки электроны, ускоряясь, будут увеличивать абсолютные значения z-компоненты волнового вектора. Если длина свободного пробега электронов намного больше периода сверхрешетки, то электроны, не успев рассеяться, достигнут границ сверхрешеточной  зоны Бриллюэна в точках  и  , где их эффективная масса отрицательная. В этом случае дрейфовая скорость электронов будет падать с ростом приложенного электрического поля, что соответствует отрицательному электросопротивлению. Впервые отрицательное электросопротивление было обнаружено в сверхрешетке GaAs – GaAlAs [1].

Еще один квантовый эффект наблюдается в полупроводниковых  сверхрешетках при условии, что  время рассеяния электронов достаточно велико [5]. При наложении к сверхрешетке внешнего электрического поля E электроны  начнут совершать периодическое  движение в минизоне, испытывая при  этом брэгговское рассеяние на ее обеих границах. Частота осцилляций определяется выражением  .

Оптические измерения  в сверхрешетках являются мощным средством изучения энергетического  строения минизон, плотности состояний  в них, совершенства гетерограниц и  других физических характеристик сверхрешеток. Измерения оптического поглощения в сверхрешетках являются убедительным доказательством квантования энергетических уровней в этих структурах.

4.6 Применение  сверхрешеток в электронике

Большую группу применения составляют оптоэлектронные приборы - фотоприемники, светоизлучающие приборы (инжекционные лазеры и светодиоды), пассивные оптические элементы, волноводы, модуляторы, направленные ответвители  и др.

Инжекционные лазеры на гетеропереходах  имеют преимущества перед обычными полупроводниковыми лазерами, поскольку  инжектированные носители в лазерах  на гетеропереходах сосредоточиваются  в узкой области. Поэтому состояние  инверсной населенности носителей  заряда достигается при значительно  меньших плотностях тока, чем в  лазере на p-n-переходе. Применение вместо одиночных гетеропереходов многослойных сверхрешеточных структур позволяет  изготовить лазеры, работающие на нескольких длинах волн.

В качестве примера на рис. 10 показано схематическое изображение  структуры многоволнового лазера [6]. В структуре имеется четыре активных слоя AlxGa1-xAs разного состава (x = x1, x2, x3, x4), благодаря которым лазер  одновременно работает на четырех длинах волн  1,  2,  3 и 4. Активные слои отделены друг от друга промежуточными слоями AlyGa1-yAs (y > x1, x2, x3, x4). Для создания p-n-переходов в структуре проводилась локальная диффузия Zn.

Большую группу приборов на полупроводниковых сверхрешетках  составляют устройства с отрицательным  дифференциальным электросопротивлением. На основе полупроводниковых сверхрешеток изготавливают также различные  транзисторы. Достаточно большая частота  квантовых осцилляций электронов в  сверхрешетках значительно расширяет  возможности изготовленных на их основе приборов СВЧ.

 

Заключение

 

На основе предложенных в 1970 году Ж.И.Алфёровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных  соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые  лазеры, работающие в существенно  более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они  нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

В России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов  для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической  станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного  снижения мощности.

Прошло более 30 лет с  тех пор, как началось изучение квантовых  эффектов в полупроводниковых структурах. Были сделаны замечательные открытия в области физики низкоразмерного  электронного газа, достигнуты поразительные  успехи в технологии, построены новые  электронные и оптоэлектронные  приборы. И сегодня в физических лабораториях активно продолжаются работы, направленные на создание и  исследование новых квантовых структур и приборов, которые станут элементами больших интегральных схем, способных  с высокой скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации. Возможно, что уже через несколько  лет наступит эра квантовой полупроводниковой  электроники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

 

1. Эсаки Л. Молекулярно-лучевая  эпитаксия и развитие технологии  полупроводниковых сверхрешеток  и структур с квантовыми ямами.- В кн: Молекулярно-лучевая эпитаксия  и гетероструктуры.: Пер. с англ./Под  ред. Л. Ченга, К Плога.- М.: Мир, 1989.- с. 7 – 36.

2. Херман М. Полупроводниковые  сверхрешетки.- М.: Мир, 1989.- 240 с.

3. Силин А.П. Полупроводниковые  сверхрешетки // Успехи физических  наук. – 1985. - т.147, вып. 3.- C. 485 - 521.

5. Бастар Г.. Расчет зонной  структуры сверхрешеток методом  огибающей функции.- В кн: Молекулярно-лучевая  эпитаксия и гетероструктуры  / Под ред. Л. Ченга, К. Плога.- М.: Мир, 1989.- С. 312 –347.

6. Цанг В.Т. Полупроводниковые  лазеры и фотоприемники, полученные  методом молекулярно-лучевой эпитаксии.- В кн: Молекулярно-лучевая эпитаксия  и гетероструктуры / Под ред.  Л. Ченга, К. Плога.- М.: Мир, 1989.- С. 463 –504.