63409 (Электронно-дырочные гетеропереходы и их отличия от гомопереходов)

Реферат

"Электронно-дырочные гетеропереходы и их отличия от гомопереходов"

Гетеропереход

Контакт двух различных по химическому составу полупроводников. На границе раздела ПП обычно изменяются ширина запрещённой зоны, подвижность носителей заряда, их эффективные массы и др. характеристики. В «резком» Г. изменение св-в происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем ширина области объёмного заряда (см. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД). В зависимости от легирования обеих сторон Г. можно создать р – n-Г. (анизотипные) и n-Г. или р – р-Г. (изотипные). Комбинации разл. Г. и монопереходов образуют гетероструктуры.

Образование Г., требующее стыковки крист. решёток, возможно лишь при совпадении типа, ориентации и периода крист. решёток сращиваемых материалов. Кроме того, в идеальном Г. граница раздела должна быть свободна от структурных и др. дефектов (дислокаций, точечных дефектов и т.п.), а также от механич. напряжений. Наиболее широко применяются монокристаллич. Г. между полупроводниковыми материалами типа AIIIBV и их твёрдыми растворами на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al. Благодаря близости ковалентных радиусов Ga и Al изменение хим. состава происходит без изменения периода решётки. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (четверных и более) тв. растворов, в к-рых при изменении состава в широких пределах период решётки не изменяется. Изготовление монокрист. Г. и гетероструктур стало возможным благодаря развитию методов эпитаксиального наращивания ПП кристаллов (см. ЭПИТАКСИЯ).

Г. используются в разл. ПП приборах: ПП лазерах, светоизлучающих диодах, фотоэлементах, оптронах и т.д.

Гомопереход

В отличие от гетероперехода – контакт двух областей с разными типами проводимости или концентрациями легирующей примеси в одном и том же кристалле полупроводника. Различают p – n-переходы, в к-рых одна из двух контактирующих областей легирована донорами, а другая – акцепторами (см. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД), n+–n-переходы (обе области легированы донорной примесью, но в разл. степени) и p+–p-переходы (обе области легированы акцепторной примесью).

Гетеропереход. Основные свойства и характеристики

Разработками данной проблемы занимался выдающийся советский ученый Ж.И. Алферов. В 1961 г. он защитил кандидатскую диссертацию, посвящённую в основном разработке и исследованию мощных германиевых и частично кремниевых выпрямителей. Заметим, что в этих приборах, как и во всех ранее созданных полупроводниковых приборах, использовались уникальные физические свойства p–n-перехода – искусственно созданного в полупроводниковом монокристалле распределения примесей, при котором в одной части кристалла носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны, а в другой – положительно заряженные квазичастицы, «дырки» (латинские n и p как раз и значат negative и positive). Поскольку различается лишь тип проводимости, а вещество одно и то же, p–n-переход можно назвать гомопереходом.

Благодаря p–n-переходу в кристаллах удалось осуществить инжекцию электронов и дырок, а простая комбинация двух p–n-переходов позволила реализовать монокристаллические усилители с хорошими параметрами – транзисторы. Наибольшее распространение получили структуры с одним p–n-переходом (диоды и фотоэлементы), двумя p–n-переходами (транзисторы) и тремя p–n-переходами (тиристоры). Всё дальнейшее развитие полупроводниковой электроники шло по пути исследования монокристаллических структур на основе германия, кремния, полупроводниковых соединений типа А^IIIB^V (элементов III и V групп Периодической системы Менделеева). Улучшение свойств приборов шло главным образом по пути совершенствования методов формирования p–n-переходов и использования новых материалов. Замена германия кремнием позволила поднять рабочую температуру приборов и создать высоковольтные диоды и тиристоры. Успехи в технологии получения арсенида галлия и других оптических полупроводников привели к созданию полупроводниковых лазеров, высокоэффективных источников света и фотоэлементов. Комбинации диодов и транзисторов на одной монокристаллической кремниевой подложке стали основой интегральных схем, на которых базировалось развитие электронно-вычислительной техники. Миниатюрные, а затем и микроэлектронные приборы, создаваемые в основном на кристаллическом кремнии, буквально смели электровакуумные лампы, позволив уменьшить в сотни и тысячи раз размеры устройств. Достаточно вспомнить старые ЭВМ, занимавшие огромные помещения, и их современный эквивалент ноутбук – компьютер, напоминающий маленький атташе-кейс, или «дипломат», как его называют в России.

Один из выводов кандидатской диссертации гласил, что p–n-переход в гомогенном по составу полупроводнике (гомоструктура) не может обеспечить оптимальные параметры многих приборов. Стало ясно, что дальнейший прогресс связан с созданием p–n-перехода на границе разных по химическому составу полупроводников (гетероструктурах).

Лазеры на гомопереходах были неэффективны из-за высоких оптических и электрических потерь. Пороговые токи были очень высоки, а генерация осуществлялась только при низких температурах.

Вскоре были сформулированы общие принципы управления электронными и световыми потоками в гетероструктурах.

Первоначально теория развивалась существенно быстрее, чем практическая реализация устройств.

В то время существовал всеобщий скептицизм по поводу создания «идеального» гетероперехода, тем более с теоретически предсказываемыми инжекционными свойствами.

Итак, реализация гетероперехода открывала возможность создания более эффективных приборов для электроники и уменьшения размеров устройств буквально до атомных масштабов.

Максимальный эффект ожидался при использовании гетеропереходов между полупроводником, служащим активной областью прибора, и более широкозонным полупроводником. В качестве наиболее перспективных в то время рассматривались системы GaP–GaAs и AlAs–GaAs. Для «совместимости» эти материалы в первую очередь должны были удовлетворять самому важному условию: иметь близкие значения постоянной кристаллической решётки.

Дело в том, что многочисленные попытки реализовать гетеропереход были безуспешными: ведь не только размеры элементарных ячеек кристаллических решёток полупроводников, составляющих переход, должны практически совпадать, но и их тепловые, электрические, кристаллохимические свойства должны быть близкими, как и их кристаллические и зонные структуры.

Такую гетеропару найти не удавалось. И вот за это, казалось бы, безнадёжное дело взялся Ж.И. Алфёров. Нужный гетеропереход, как оказалось, можно было формировать путём эпитаксиального выращивания, когда один монокристалл (вернее, его монокристаллическая плёнка) наращивался на поверхности другого монористалла буквально послойно – один монокристаллический слой за другим. К нашему времени разработано много методов такого выращивания. Это и есть те самые высокие технологии, которые обеспечивают не только процветание электронных фирм, но и безбедное существование целых стран.

Первоначально была предпринята попытка создать двойную гетероструктуру GaP_0,15As_0,85–GaAs. И она была выращена методом газофазной эпитаксии, а на ней был сформирован лазер. Однако из-за небольшого несоответствия постоянных решётки он, как и лазеры на гомопереходах, мог работать только при температуре жидкого азота. Ж.И. Алфёрову стало ясно, что таким путём реализовать потенциальные преимущества двойных гетероструктур не удастся.

Было обнаружено что неустойчивый сам по себе арсенид алюминия абсолютно устойчив в тройном соединении AlGaAs, так называемом твёрдом растворе. Свидетельством этому были давно выращенные путём охлаждения из расплава кристаллы этого твёрдого раствора, хранившиеся у одного из ученых в столе уже несколько лет. Примерно так в 1967 г. была найдена ставшая теперь классической в мире микроэлектроники гетеропара GaAs–AlGaAs.

Изучение фазовых диаграмм, кинетики роста в этой системе, а также создание модифицированного метода жидкофазной эпитаксии, пригодного для выращивания гетероструктур, вскоре привели к созданию гетероструктуры, согласованной по параметру кристаллической решётки.

С этого момента реализация главных преимуществ гетероструктур пошла стремительно. Прежде всего экспериментально были подтверждены уникальные инжекционные свойства широкозонных эмиттеров и эффект суперинжекции, продемонстрировано стимулированное излучение в двойных гетероструктурах, установлена зонная структура гетероперехода Al_xGa_1–xAs, тщательно изучены люминесцентные свойства и диффузия носителей в плавном гетеропереходе, а также чрезвычайно интересные особенности протекания тока через гетеропереход, например, диагональные туннельно-рекомбинационные переходы непосредственно между дырками из узкозонной и электронами из широкозонной составляющих гетероперехода.

Основные преимущества гетероструктур были реализованы

– в низкопороговых лазерах на двойных гетероструктурах, работающих при комнатной температуре;

– в высокоэффективных светодиодах на одинарной и двойной гетероструктурах;

– в солнечных элементах на гетероструктурах;

– в биполярных транзисторах на гетероструктурах;

– в тиристорных p–n–p–n гетероструктурах.

Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая электроника, то гетероструктуры давали возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами полупроводниковых кристаллов и приборов, такими, как ширина запрещённой зоны, эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель преломления, электронный энергетический спектр и т.д.

Идея полупроводниковых лазеров на p–n-переходе, экспериментальное наблюдение эффективной излучательной рекомбинации в p–n-структуре на основе GaAs с возможностью стимулированного излучения и создание лазеров и светоизлучающих диодов на p–n-переходах были теми зёрнами, из которых начала расти полупроводниковая оптоэлектроника.

Одним из первых опытов успешного применения гетероструктур в нашей стране стало использование солнечных батарей в космических исследованиях. Солнечные батареи на основе гетероструктур были созданы Ж.И. Алфёровым и сотрудниками ещё в 1970 г. Технология была передана в НПО «Квант», и солнечные элементы на основе GaAlAs устанавливались на многих отечественных спутниках. Когда американцы опубликовали свои первые работы, советские солнечные батареи уже летали на спутниках. Было развёрнуто их промышленное производство, а их 15-летняя эксплуатация на станции «Мир» блестяще доказала преимущества этих структур в космосе. И хотя прогноз резкого снижения стоимости одного ватта электрической мощности на основе полупроводниковых солнечных батарей пока не оправдался, в космосе самым эффективным источником энергии доныне безусловно являются солнечные батареи на гетероструктуpax соединений A^IIIB^V.

Оптоэлектроника

Оптоэлектроника – это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации.

Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно – технологические концепции современной электроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонких пленок, диффузия, ионная имплантация, плазмохимия и др.
Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют (внутри единого монокристалла) полупроводники с различными значениями ширины запрещеной зоны.

Инжекционный лазер

Инжекционнный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто как равноправный используется термин «лазерный диод»), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход.

Разновидности инжекционных лазеров. Рассмотренные теоретические положения предопределяют пути совершенствования простейшей структуры лазера. Обследованы и реализованы варианты расположения слоев по толщине кристалла. В гомогенном полупроводнике p-n-переход как средство электронного ограничения весьма несовершенен: при высоких уровнях накачки происходит бесполезная инжекция электронов влево (из-за падения коэффициента инжекции), ограничение справа достигается лишь естественным убыванием концентрации введенных дырок

Все эти несовершенства, проявляющиеся в конечном счете в высоком значении плотности порогового тока, предопределили бесперспективность лазеров на однородных полупроводниках.

Широкое промышленное распространение получили только гетеролазеры, общими особенностями которых являются односторонняя инжекция, четко выраженный волноводный эффект, возможность суперинжекции.

Поистине классической стала двойная (двусторонняя) гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная область «зажата» между двумя гетерограницами (рис. 4, б): именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. Четырех и пятислойная структуры, являющиеся усовершенствованной ДГС

Особенности инжекционных лазеров.