Metodichka (769477), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Гетероструктуры и их классификацияФизика полупроводников последних 10–15 лет, благодаря успехамтехнологии и, прежде всего метода МВЕ (Molecular Beam Epitaxy — молекулярно-лучевая эпитаксия), это главным образом физика полупроводниковых низкоразмерных структур (наноструктур).
Современные методыэпитаксии позволяют создавать монокристаллические слои и многослойные гетероструктуры с толщиной слоёв 1–10 нм, сравнимой с длиннойволны де Бройля носителей заряда:hmn* v(1.1)Это открывает принципиальную возможность наблюдения и использования явлений, обусловленных волновой природой электрона.
К ним, вчастности, относятся интерференция электронных волн и вызванные еюразмерные квантовые эффекты, например, такие, как квантование энергиии импулься носителей заряда в тонких слоях, резонансный характер прохождения электронов через эти слои и т.п. [5–7]. Размерное квантованиекардинально меняет энергетический спектр носителей заряда, фононов,10Компьютерное моделирование микро и наноструктурквазичастиц, и возникновению целого ряда новых физических явлений исвойств полупроводниковых наноструктур.Важное достоинство наноструктур связано с тем, что, изменяя геометрические размеры и конфигурацию нанообъектов, можно управлятьсвойствами системы.
Открывается широкая возможность конструированияпараметров структур и, прежде всего, энергетического спектра носителейзаряда.Энергетические схемы некоторых гетероструктур изображена нарис. 1.1 и 1.2. Верхняя и нижняя линии показывают зависимость положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны от координаты внаправлении главной оси структуры, или оси роста, перпендикулярноплоскостям слоёв.абРис.
1.1. Зонная схема одиночного гетероперехода типа I (а) и типа II (б)Одиночный гетеропереход между двумя материалами — полупроводниками А и В изображен на рис. 1.1. Различают гетеропереходы первого и второго типа в зависимости от того, лежит запрещенная зона Eg одного из композиционных материалов внутри запрещенной зоны другого материала, как например для гетеропары GaAs/Al0.35Ga0.65As (рис. 1.1, а), или1. Устройство и принцип работы оптических интерферометров11дно зоны проводимости ниже в одном, а потолок валентной зоны выше вдругом материале, как в случае InAs/AlSb или ZnSe/BeTe (рис.
1.1, б).На рис. 1.2 изображен двойной гетеропереход.абРис. 1.2. Зонная схема двойного гетероперехода первого рода с квантовой ямой (а)или барьером (б); Ve ,h – высота потенциального барьера (глубина квантовой ямы)или разрыв зон на интерфейсе в зоне проводимости и валентной зоне соответственноДвойной гетеропереход первого рода В/А/В представляет структурус одиночной квантовой ямой, если ширина запрещенной зоны в материалеА меньше, чем в материале В, т.е.
E gA E gB или структуру с одиночнымбарьером, если E gA E gB .В первом случае внутренний слой А образует потенциальную яму (рис. 1.2, а), в которой происходит размерное квантование электронных и дырочных состояний. Во втором случае слой А образует потенциальный барьер для электронов и дырок (рис. 1.2, б). На рис. 1.2,а схематически показана структура с прямоугольной ямой.
Используя вкачестве композиционного материала А твердый раствор и изменяя его состав в процессе роста, можно создавать ямы другой формы — параболические, треугольные и т. п.12Компьютерное моделирование микро и наноструктурЛогическим развитием однобарьерной структуры являются двухбарьерные и трехбарьерные структуры, то есть одиночная или двойнаяквантовые ямы, отделенные барьерами конечной толщины от полубесконечных слоёв с меньшей шириной запрещенной зоны. А периодическаяструктура с квантовыми ямами, разделенными не очень широкими потенциальными барьерами, образует сверхрешетку, в которой носители зарядамогут туннелировать из ямы в яму и длина свободного пробега этого носителя вдоль оси, перпендикулярной плоскостям слоёв, превышает периодструктуры.1.2. Квантоворазмерные гетероструктуры на основе твердогораствора AlxGa1-xAsКак правило, квантоворазмерные эффекты наблюдаются в слоистыхгетероструктурах, составленных из материалов, различающихся расположением и шириной энергетических зон [8–9].
В таких структурах в поперечном к плоскости слоёв направлении потенциальный рельеф для электронов имеет форму потенциальных ям и барьеров, что существенно влияет на их энергетический спектр и характер движения. Особенно сильноквантование поперечных значений импульса и энергии сказывается на поперечном транспорте электронов в гетероструктурах. Интерференцияэлектронных волн, отраженных от границ слоёв, приводит к резонанснымосцилляциям тока, протекающего в поперечном к слоям направлении поддействием приложенной к ним разности потенциалов, и появлению навольт-амперных характеристиках слоистых структур участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением.Поскольку характерные времена процесса формирования особенностей ВАХ ограничивается снизу временем туннелирования электронов,1.
Устройство и принцип работы оптических интерферометров13движущихся с тепловой скоростью (~ 5·105 м/с) через слой толщиной менее 10–8 м, и составляющим, следовательно, менее 10–13 с, естественно пытаться использовать эти эффекты для создания сверхбыстродействующихприборов с рабочими частотами более 103 ГГц.Впервые, по-видимому, на такую возможность указал Л.В. Иогансен[10–12], который предложил использовать эффект резонансного туннелирования электронов в слоистых тонкопленочных структурах металл–диэлектрик для создания целого ряда твердотельных электронных приборов. Теоретические работы Л.В. Иогансена намного опередили аналогичные зарубежные публикации. Однако они длительное время не находилиэкспериментального подтверждения из-за отсутствия достаточно развитойтонкопленочной технологии.
Лишь в 70-х годах XX века с развитием молекулярной эпитаксии появилась возможность реализации гетероструктур,подобных предложенным Л.В. Иогансеном. Правда, вместо структур сослоями металл–диэлектрик были созданы структуры с эпитаксиальнымислоями различных полупроводниковых материалов, прежде всего гетероструктуры GaAs—AlxGa1–xAs [13, 14].Для изготовления подобных структур к настоящему времени разработано несколько совершенных технологических процессов, однако наилучшие результаты в приготовлении квантовых структур достигнуты спомощью метода молекулярно–лучевой эпитаксии.
Метод молекулярно–лучевой эпитаксии позволяет выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной всего несколько периодов решетки. Чрезвычайноважно, чтобы периоды кристаллических решеток двух соседних слоев,имеющих различный химический состав, были почти одинаковыми. Тогдакристаллическая решетка выращенной структуры не будет содержать дефектов. В этом смысле, наиболее удачной как раз и оказалась пара GaAs—AlxGa1–xAs.14Компьютерное моделирование микро и наноструктурПоскольку гетероструктуры на основе твердых растворов AlxGa1–xAs,в котором часть атомов галлия замещена атомами алюминия, были исторически первыми и остаются по сей день наиболее изученными и распространенными, компьютерное моделирование квантоворазмерных эффектовмы будем проводить именно на их примере.
Величина x — это доля атомов галлия, замещенных атомами алюминия, обычно она изменяется впределах от 0,15 до 0,35.Зонная структура GaAs представлена на рис. 1.3.Наибольшее внимание уделяется структурам, у которых главнуюроль играют состояния в центре зоны Бриллюэна (точка Г) — структурам сгетерограницами по плоскости (001).1. Устройство и принцип работы оптических интерферометров15Рис. 1.3. Зонная диаграмма GaAs.Эффективная масса электронов в Г-минимуме таких структур определяется выражением:mn x (0.067 0.083 x)me ,(1.2)ширина запрещенной зоны (в эВ) — выражением:1.424 1.247 x, если x 0.45Eg x ,21.9 0.125 x 0.143x , если x 045(1.3)а постоянная решетки — выражением:a0 x 0.56533 0.00078 x нм .(1.4)Таким образом, варьируя долю замещения атомов галлия алюминием x можно изменять такие важные параметры полупроводникового материала как эффективную массу носителей заряда, ширину запрещенной зоны и постоянную решетки.
Заметная зависимость ширины запрещенной16Компьютерное моделирование микро и наноструктурзоны от параметра x позволяет при выращивании монолитных слоистыхструктур получать заданный потенциальный рельеф для электронов в нормальном к плоскости слоёв направлении. При этом в силу того, что зависимость постоянной решетки от параметра x слабая, кристаллическаяструктура на интерфейсе между слоями характеризуется минимальныминарушениями — кристаллические решетки различных слоёв практическиидеально подходят друг другу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
