Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 29
Текст из файла (страница 29)
5.7). Это позволяет исполь$зовать резонансный туннельный прибор для генерацииСВЧ$колебаний с частотами выше (на порядок и более),чем в обычных туннельных диодах. В экспериментах дос$тигнута частота генерации 700 ГГц. Величинами U1 и U2можно управлять, изменяя ширину ямы, что приводит кизменению положения размерного уровня.Резонансно$туннельный диод преобразуется в транзи$стор, если к центральной части структуры (см. рис. 7.12а)подвести электрод, регулирующий положение размерно$го уровня Е1 с помощью электрического поля.На основе резонансно$туннельных диодов разработа$ны аналого$цифровые преобразователи на несколько ГГц,логические элементы, запоминающие устройства, кото$рые можно использовать в процессорах, и другие цифро$вые устройства для быстродействующей электроники.7.5.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕСВЕРХРЕШЕТКИ7.5.1.СВЕРХРЕШЕТКИСверхрешетки — это кристаллические структуры,в которых кроме периодического потенциала кристаллической решетки имеется другой периодический потенциал, период которого значительно превышает постоянную решетки, но соответствует наномасштабам(см.
п. 6.9).В настоящее время наиболее широко применяются по$лупроводниковые сверхрешетки. Они состоят из чередую$щихся слоев двух полупроводников, различающихся илисоставом, или типом проводимости. Получают сверхрешетки, например, с помощью технологии МЛЭ, позво$ляющей наращивать чередующиеся слои любого составаи толщины. Период повторения слоев составляет от не$скольких нанометров до десятков нанометров (для срав$нения — постоянные решетки кристаллов Si и GaAs рав$ны примерно 0,5 нм).164НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьШироко используют два типа полупроводниковыхсверхрешеток: композиционные и легированные. Композиционные сверхрешетки — это гетероструктуры изчередующихся слоев различного состава и ширины за,прещенной зоны, но с близкими значениями постояннойрешетки.
Например, AlxGa1–xAs–GaAs; InxGa1–xAs–GaAs;InxGa1–xAs–InP; ZnS–ZnSe и др. Здесь дополнительный пе,риодический потенциал создается за счет периодическогоизменения ширины запрещенной зоны. Легированныесверхрешетки — это периодическая последовательностьслоев n, и р,типа одного и того же полупроводника. До,норные атомы в n,слоях отдают электроны, которые свя,зываются акцепторными атомами в р,слоях. Дополнитель,ный периодический потенциал создают чередующиеся за,ряды ионизированных акцепторов и доноров. Существуюттакже сверхрешетки из металлов, сверхпроводников и ди,электриков.Дополнительный периодический потенциал сверхре,шетки изменяет зонную структуру исходных полупровод,ников.
Поэтому сверхрешетку можно рассматривать какновый, синтезированный полупроводник, не существую,щий в природе и обладающий необычными свойствами.Подбором материала и состава чередующихся слоев мож,но в широких пределах варьировать зонную структурусверхрешетки. Совокупность методов получения материа,лов с модифицированной зонной структурой лежит в ос,нове так называемой «зонной инженерии».7.5.2.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫСВЕРХРЕШЕТОКНа рис.
7.13а показана энергетическая диаграмма (по,тенциальный профиль) композиционной сверхрешеткиAlxGa1–xAs–GaAs в направлении, перпендикулярном сло,ям. Вследствие периодического изменения ширины запре,щенной зоны 1Eg 2 EC1,2 3 EV1,2 создается последователь,ность прямоугольных квантовых ям, разделенных барье,рами. Ямы образуются в узкозонном полупроводнике: дляэлектронов — в зоне проводимости, для дырок — в валент,165Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИной зоне. Есть решетки с более сложным профилем, на#пример в структурах GexSi1–x–Si, GaAs–GaP.На рис. 7.13б показан потенциальный профиль моду#лировано#легированной композиционной сверхрешетки.В рассматриваемом случае легируется донорной примесьютолько широкозонный материал. Электроны с донорныхуровней переходят в квантовые ямы, пространственно раз#деляясь с ионизованными донорами.
Чередование зарядоввызывает периодические изгибы краев зон. На рис. 7.13а,бштриховкой показаны минизоны (см. п. 7.5.3), на кото#рые разбиваются валентная зона и зона проводимости.абРис. 7.13Энергетические диаграммы простой композиционной (а)и модулированолегированной (б) сверхрешеток:d — период сверхрешетки.Рис. 7.14Энергетические диаграммы легированной сверхрешетки:1Egэф — эффективная ширина запрещенной зоны сверхре#шетки; d — ее период.166НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьНа рис. 7.14 показан потенциальный профиль легиро"ванной сверхрешетки. Чередующиеся заряды ионизиро"ванных доноров и акцепторов создают последовательностьпотенциальных ям для электронов и дырок. Электроны идырки оказываются пространственно разделенными: дыр"ки находятся в потенциальных ямах валентной зоныр"слоя, электроны — в потенциальных ямах зоны прово"димости n"слоя. Штриховкой показаны мини"зоны; DЕg —ширина запрещенной зоны исходного полупроводника,1Egэф — эффективная ширина запрещенной зоны сверх"решетки.
Для получения легированных сверхрешеток час"то используют GaAs.7.5.3.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТРЭЛЕКТРОНОВ В СВЕРХРЕШЕТКАХДля нахождения спектра решается уравнение Шрёдин"гера, как и в случае массивного кристалла, но с учетомдополнительного периодического потенциала. Используярезультаты расчета зонной структуры кристалла, можносделать качественные выводы относительно энергетиче"ской структуры сверхрешетки.
Потенциал сверхрешеткипериодичен, поэтому размерные уровни расщепляются взоны.1Спектр имеет зонный характер; в зоне столько уровней,сколько ям в структуре. Так как период сверхрешетки dзначительно больше постоянной решетки, то получающие"ся сверхрешеточные зоны представляют собой более мел"кое дробление энергетических зон исходных полупровод"никовых кристаллов и называются минизонами. Расще"пление зоны проводимости и валентной зоны на мини"зоныпоказано штриховкой на рис. 7.13 и 7.14.Чем меньше ширина ямы, тем больше расстояние ме"жду мини"зонами и больше эффективная ширина запре"щенной зоны 1Egэф ; чем меньше ширина барьера, темшире мини"зоны.
Таким образом, можно перестраивать1Подобно тому, как энергетические уровни электронов внешнихоболочек атома расщепляются в зоны при образовании кристалла(см. п. 4.8).Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ167энергетический спектр сверхрешетки простым изменени"ем толщины слоев, что легко осуществить в методе МЛЭ.График плотности состояний g(E) имеет ступенчатыйвид, как и g(E) для квантовой ямы, но с иной формой сту"пеней.7.5.4.СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗАВ СВЕРХРЕШЕТКАХВ легированных сверхрешетках электроны и дыркипространственно разделены (см. рис.
7.14). Генерируемыесветом пары электрон–дырка (неравновесные носители)также пространственно разделяются, что подавляет ре"комбинацию и увеличивает их время жизни до ~103 с.В модулировано"легированных композиционных сверх"решетках широкозонный полупроводник (например,AlGaAs) легируется донорной примесью. Электроны с до"норных уровней барьера переходят в ямы зоны проводи"мости узкозонного полупроводника (например, GaAs),см. рис. 7.13б. В барьерах остаются ионизованные доно"ры (примесные центры), в ямах образуется 2D"электрон"ный газ с высокой плотностью и подвижностью электро"нов.
Высокая подвижность обусловлена тем, что плотностьэлектронов в узкозонном слое больше плотности центроврассеяния, а донорные примесные центры заключены в ши"рокозонных слоях. Эффект увеличения подвижности осо"бенно значителен при низких температурах, когда глав"ный вклад в рассеяние движущихся электронов вносит ихрассеяние на примесях. Высокая подвижность электро"нов позволяет создавать на сверхрешетках быстродейст"вующие приборы, например транзисторы с проводящимиканалами, параллельными слоям. Время переключениятаких транзисторов может составлять пикосекунды.7.5.5.УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ СВЕРХРЕШЕТОКСверхрешетки используются в ряде полупроводнико"вых приборов, например в лазерах, светодиодах, фото"приемниках, а также в транзисторах и других устройст"вах с отрицательным дифференциальным сопротивлением.168НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьПринципы действия подобных приборов основаны на спе"цифических для сверхрешеток явлениях: квантовом ог"раничении носителей заряда в потенциальных ямах, про"странственном разделении электронов и дырок (большиевремена жизни неравновесных носителей) или электро"нов и доноров (высокие подвижности), резонансном тун"нелировании; малых временах туннельных переходов,возможности перестройки энергетического спектра.Рассмотрим некоторые применения сверхрешеток воптоэлектронике. К ним относятся, в частности, ИК"фото"приемники и лазеры.Инфракрасные фотоприемники. Фотоприемники пред"назначены для регистрации и измерения оптических сиг"налов и для получения изображений во всех областях спек"тра, в том числе ИК" и УФ"диапазонах.
Некоторые типыфотоприемников были созданы еще в начале XX в., но наи"более быстрыми темпами развиваются разработка и выпускфотоприемников в последние десятилетия. Объем рынкаприемников излучения всех классов достигает 1 млрд дол"ларов в год. Потребителями являются отрасли научного,гражданского и оборонного приборостроения.
Наибольшиесредства вкладываются в разработки ИК"фотоприемников,используемых в аппаратуре и системах наблюдения, ноч"ного видения, самонаведения, тепловидения и др., а такжев волоконно"оптических линиях связи. Для ИК"фотопри"емников используются как легированные сверхрешетки,так и многослойные гетероструктуры.Рабочий диапазон легированных сверхрешеток на ос"нове GaAs — 0,8–1,4 мкм. Слои легируются так, что чис"ло доноров в n"слое равно числу акцепторов в р"слое. Приэтом в равновесном состоянии практически отсутствуютсвободные носители, и решетка представляет собой пол"ностью обедненный, высокоомный материал.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
