Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Оек 4(3), 283-287 (1960). запрещенной зоны в каждом материале. В табл. 1.4 приведены параметры некоторых полупроводников и диэлектриков, позволяюшие строить энергетические зонные диаграммы образуемых ими гетеропереходов. При температурах выше абсолютного нуля рассогласование уровней Ферми в контактируюших материалах (если таковое имеет место) устраняется за счет перераспределения свободных носителей заряда вблизи границы раздела между областью колодца и областью барьера. Таблица Ь4, Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре и сродство к электрону некоторых полупроводников и диэлектриков В общем случае границы зон проводимости и валентных зон материалов, образуюших квантовые колодцы, не совпадают.

В зависимости от их взаимного расположения различают два основных типа периодических квантовых колодцев. Их энергетические диаграммы показаны на рис. 1.14, где предполагается, что материал А имеет меньшую запрещенную зону, чем материал В. В периодических квантовых колодцах типа 1 дно зоны проводимости широкозонного полупроводника располагается выше дна зоны проводимости узкозонного полупроводника. Для потолка валентной зоны эти соотношения обратны, т.

е. потолок валенпюй зоны широкозонного полупроводника лежит ниже потолка валентной зоны узкозонного полупроводника. Такие энергетические соотношения приводят к тому, что и электроны, и дырки локализуются и испытывают квантовое ограничение геометрически водной и той же области, Глава ц Физические основы наноэлехтроники 54 Тип ИВ Рис.

1.14. Расцолохгение энергетических зон в квантовых колодцах, образованных узкозонным материалом А и широкозонным материалом В. Штриховыми линиями обозначены минимальные уровни энергии электронов и дырок, разрешенные в соответствии с квантовым ограничением а именно — в области узкозонного полупроводника, т. е.

в колодце. Такую структуру называют щюстгграисгииеино луялгозггггиой. Тип 11 периодических квантовых колодцев отличается от типа 1 тем, что при одних и тех же энергетических соотношениях для дна зоны проводимости потолок валентной зоны широкозонного полупроводника находится выше потолка валентной зоны узкозонного полупроводника, поэтому электроны и дырки локализуются и испытывают квантовое ограничение в разных областях. Такой тип структур является пространственно иеггрямозонньии. В типе 11 выделяют также специфический случай, относяшийся к узкозонным полупроводникам и полуметаллам.

На рис. 1.14 он обозначен как тип ПВ. Для него характерно наличие очень малого энергетического зазора между уровнем дырок и уровнем электронов в соседних областях. Встречаются также и квантовые колодцы 1 Д Структурме квантовьан ограничением, еозоаваемммвн ниии лавем 55 типа Ш. Они образуются обычными и бесщелевыми полупроводниками.

Однако это — достаточно редкий случай. Квантовые колодцы являются одним из наиболее важных элементов большинства наноэлектронных и оптоэлектронных приборов. 1.3.2. Модулвционно-легированные структуры Традиционный путь создания в полупроводниках областей с требуемым типом основных носителей заряда (электроны или дырки) предполагает легирование этих областей донорными или акцепторными примесями. Когда при температуре выше абсолютного нуля электроны или дырки покидают примесные атомы, они оставляют их в ионизированном состоянии.

При этом по мере увеличения концентрации образующихся свободных носителей заряда их подвижность снижается из-за усиления рассеяния носителей на ионизированных примесях за счет кулоновского взаимодействия с ними. Поэтому необходимость достижения большой концентрации подвижных носителей заряда вступает в противоречие с возможностью обеспечить их высокую подвижность.

Между тем высокочастотные полупроводниковые приборы требуют больших концентраций носителей с максимально возможной подвижностью. Эта проблема решается в модулнционно-легированных структурах (тони(анен-борей в~гисгигев), в которых область полупроводника, где генерируются носители заряда, и область, где осуществляется их перенос, пространственно разделены. Для этого используются гетероструктуры, образованные полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Электронные процессы в модуляционно-легированной структуре иллюстрируются энергетическими диаграммами на рис.

1.15. В модуляционно-легированной структуре донорная примесь обычно вводится в полупроводник с большей шириной запрещенной зоны. Структура сохраняет свою электрическую нейтральность до тех пор, пока электроны находятся у своих донорных атомов. Как только электроны покидают донорные атомы (вследствие тепловой активации при Т > О К), они пересекают границу раздела и переходят в соседнюю область с более низкой потенциальной энергией. Там электроны теряют свою энергию и оказываются захваченными в приграничной области, поскольку не имеют возможности преодолеть потенциальный барьер ЛЕ, и вернугься обратно. Эти электроны оказываются пространственно отделенными от Глава !.Физические основынанозке ннкн 56 Материал В Материал А оооооо Ег г=ок х — — — — — — — Ег Неустойчивая конфигурация Материал В Материал А " Равновесная конФигурация гзис.

1.15. Вид зоны проводимости в окрестности гетероперехода, образованного полупроводником А е малой шириной запрещенной зоны и полупроводником В е большой шириной запрещенной зоны сильно легированной донорной примесью области полупроводника, откуда они поступили. Скатившиеся в потенциальную яму электроны иидуцируют электростатический потенциал, который (наряду с притяжением положительно заряженными ионами примеси) «прижимает» их к границе между материалами А и В. В результате у границы гетероперехода для электронов образуется квантовый колодец с близким к треугольному профилем распределения потенциала.

Ширина этого колодца — несколько нанометров. Энергетические уровни в нем для поперечного (вдоль оси х) движения электронов оказываются квантованными, как и в прямоугольных квантовых колодцах. Заняты только нижние энергетические уровни. Однако электроны на этих уровнях сохраняют свободу для движения в двух других направлениях, т. е. в плоскости, параллельной плоскости гетероперехода. Каждый такой уровень представляет собой дно одной из двумерных подзон размерного квантования.

Так в слаболегированном узкозонном полупроводнике у границы гетероперехода образуется двумерный электронный газ (2ОЕО). Электроны в нем заполняютделокализованные в двух направлениях состояния. Для формирования двумерного электронного газа вполне достаточно одного локализованного в поперечном направлении уровня. 1.д Структуры с квантовымограничением, создаваемым вн ренним полем 57 Спектр разрешенных энергетических состояний описывается выражением г г 2/3 е.-[г'лг )]"~- з,( — 'я: =1,2.....

(~.гп где Р, — эффективное электрическое поле в квантовом колодце. В треугольном представлении колодца его ширина а и глубина Ц относительно дна зоны проводимости связаны соотношением Ц = аеРм где е — заряд электрона. Средняя протяженность л-го уровня равна (х„) =2Е„(3еРз, (1.3.2) а распределение заряда в колодце р(х) врг я ) в'с," я г,г(х) г г где, используя функцию Эйри (А1), ги(х)=А.,~(2тоеГ (Ггг) ~х (Ег/вГ )Ц, (1.3.4) 2У2 =~2твК Т)(тджх)~1п(1+ехр((Е -Е, у/()с Тф.

(1.3.3) 1.3.3. Дельта-легированные структуры Полупроводниковую структуру с существенно неравномерным про- филем распределения примесей, характеризуюшимся локализацией примесных атомов в очень тонком внутреннем слое (в идеале— Гетерострукгура, изготовленная как сверхрешетка из л-А1ОаАз (материал с большей шириной запрешенной зоны) и нелегированного СгаАл, представляет классический пример модуляционно-легированной структуры. Подвижность электронов в ней выше на несколько порядков и при низких температурах достигает значения 2 10' смг/(В .

с), что является рекордным для ОаАз. Между тем слоевая концентрация электронов (концентрация электронов в расчете на единицу плошади поверхности структуры) в двумерном электронном газе остается не очень высокой— менее 5 10" см 2. Модуляционное легирование дает два важных преимущества. Во-первых, электроны оказываются отделенными от донорных атомов, что ослабляет их рассеяние ионизированными примесями. Во-вторых, у границы гетероперехода образуется двумерный электронный газ. Гл а в а 1. Физические основы нанозлектроники 58 где е — заряд электрона, в — диэлектрическая проницаемость мате- риала, тЧг — слоеная концентрация примесей, ав — -вй'/(т*е')— эффективный боровский радиус. Приближенно это распределение можно представить в виде У(х) =- с'О 1 з( (1.3.6) что для расчета спектра разрешенных значений энергии позволя- ет использовать известное аналитическое решение уравнения Шредингера: ~'~' Г 8т'Уо 1 Е =- -(2п-1)+ 1в с; п=1,2, ..., (!.3.7) 8т* ~ п282 Зона проводимое ~ и злая Рис.

1.1б. Энергетические зоны в дельта-легированной полупроводниковой структуре в пределах одного моноатомного слоя) называют дельта-.ювеированиой (б-легированной) спгруипзурой (г)е1уа-г)орег1 (б-ггорегг) зг исдггн). Энергетическая диаграмма такой структуры представлена на рис. 1.16. Носители заряда в сильно легированной области связаны кулоновским взаимодействием с порождаюшими их примесными атомами, поэтому они не уходят далеко от области локализации примесей. Электрическое поле ионизированных примесных атомов экранируется полем свободных носителей заряда.

Характеристики

Список файлов книги