Гетеропереходы

Гетеропереход — это контакт двух различных по химическому составу полупроводниковых кристаллов, при котором кристаллическая решетка одного полупроводникового кристалла переходит в кристаллическую решетку другого полупроводника без нарушения структуры кристалла.

Гетеропереходы бывают изотипные и анизотипные. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости (p-p или n-n переход), то такой гетеропереход называется изотипным. Анизотипные гетеропереходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости (p-n переход или n-p переход). На первое место ставится буква, обозначающая тип проводимости полупроводника с более узкой запрещенной зоной

Гетеропереходы могут быть трёх видов:

идеальный;
неидеальный;
с промежуточным слоем.

В идеальном гетеропереходе, в отличие от неидеального, на границе раздела материалов отсутствуют локальные энергетические состояния для электронов. Гетеропереход с промежуточным слоем разделяется дополнительным слоем конечной толщины, и локальные энергетические состояния могут существовать как в самом промежуточном слое, так и на границах его раздела.

Параметры кристаллических решеток полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что ограничивает выбор материалов. Для того чтобы в кристаллической решетке двух полупроводников, составляющих гетеропереход, не было дефектов, необходимо как минимум, чтобы два материала имели один и тот же тип кристаллической решётки, близкие периоды кристаллических решеток и одинаковый температурный коэффициент расширения. В этом случае в гетеропереходе не образуются механические напряжения. Некоторые параметры наиболее часто используемых в гетеропереходах полупроводников приведены в таблице 1.

Табл. 1. Параметры полупроводниковых материалов используемых для создания гетеропереходов

Параметр	Si	Ge	GaAs	AlAs	InAs	GaP	InP	GaSb	AlSb	InSb
a, нм	0.5431	0.5658	0.5653	0.5660	0.6058	0.5451	0.5869	0.6096	0.6136	0.6479
hω_LO, мэВ	64	37	36	50	30	51	43	29	42	24
E_g^(300К) эВ	1.12	0.66	1.42	2.15	0.35	2.27	1.34	0.75	1.62	0.18
ε	11.9	16.2	13.2	10.1	15.1	11.1	12.6	15.7	12.0	16.8
μ_n, м²/В×с	0.15	0.39	0.92		3.3	0.02	0.5	0.77	0.02	8
μ_p, м²/В×с	0.045	0.19	0.04		0.05	0.012	0.01	0.1	0.04	0.13

В настоящее время наиболее исследованными являются пары полупроводников: германий-арсенид галлия (Ge-GaAs), арсенид галлия-арсенид индия (GaAs-InAs), германий-кремний (Ge-Si). Одной из наилучших пар для создания гетероперехода является GaAs-AlGaAs.

Так как в различных полупроводниковых материалах различная ширина запрещенной зоны, то в районе гетероперехода возникает разрыв энергетических зон. В гетеропереходе разрывы энергетических зон могут быть как положительными, так и отрицательными. В зависимости от разрыва энергетических зон образуются гетеропереходы различных видов:

1) Охватывающий переход. Он возникает, когда разрыв зоны проводимости ΔE_c и разрыв валентной зоны ΔE_v положительны. Охватывающий гетеропереход образуется, например, при выборе полупроводниковой пары GaAs-AlGaAs. Обычно такой тип гетероперехода называется стандартным гетеропереходом или переходом I типа.

2) Ступенчатый переход. Он возникает, когда один из разрывов зон положительный, а другой отрицательный. Обычно такой тип гетероперехода называется переходом II типа. Ступенчатый переход образуется в гетеропереходе InP-In_0,52Al_0,48As.

3) Разрывный гетеропереход. Такой переход возникает, когда запрещенные зоны соседних полупроводниковых материалов вообще не перекрываются по энергии. Разрывный переход называют ещё гетеропереходом III типа. Классический пример подобного перехода — гетеропереход InAs-GaSb.

Пример энергетической диаграммы p-n гетероперехода в равновесном состоянии изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода в равновесном состоянии

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников, в принципе, возможно осуществить четыре типа гетероструктур: p1–n2; n1–n2; n1–p2 и p1–p2.

Интересной особенностью обладают твердые растворы полупроводниковых соединений, такие как GeSi, InGaAs, AlGaAs или InAlAs. Изменяя процентное содержание исходных полупроводников (AlAs и GaAs) или (InAlAs и InAlAs) можно регулировать ширину запрещённой зоны E_g, шаг кристаллической решётки или высоту пика ΔE_c в энергетической диаграмме гетероперехода.

Гетеропереходы применяются в различных полупроводниковых приборах. Например, потенциальная яма, формируемая пиком в энергетической диаграмме перехода, позволяет увеличивать к.п.д. светоизлучающих электронных приборов, таких как полупроводниковые лазеры или светодиоды.

Применение гетеропереходов в эмиттере биполярных транзисторов HBT позволяет увеличить проводимость базы, не опасаясь увеличения обратного тока в цепи эмиттера. Тем самым можно улучшать частотные свойства транзистора или добиваться больших токов, по сравнению с обычной структурой транзистора.

Гетеропереходы позволяют формировать двумерный электронный газ, что даёт возможность повысить подвижность электронов в полевых или биполярных транзисторах. Это позволяет создавать транзисторы с частотой работы до 600 ГГц.

В этом случае для улучшения подвижности электронов в двумерном газе часто между полупроводниками добавляют разделитель (spacer). В качестве разделителя может служить нелегированный полупроводник. Подобная структура гетероперехода в полевом HEMT транзисторе приведена на рисунке 2.

Гетеропереход с разделителем (spacer) AlGaAs-InGaAs-GaAs

Рисунок 2. Структура гетероперехода в HEMT транзисторе

При этом возможно два варианта реализации гетероперехода. Либо псевдоморфный, либо метаморфный гетеропереход. В псевдоморфном гетеропереходе толщина разделителя настолько тонкая, что он растягивается до параметров кристаллической решётки соседнего полупроводникового материала. В метаморфном гетеропереходе подбирается химический состав разделителя таким образом, чтобы период его кристаллической решётки соответствовал периоду кристаллической решётки соседнего полупроводникового материала.

Например, при создании гетероперехода GaAs-InGaAs между ними помещается разделитель из InAlAs, с концентрацией индия подобранной таким образом, чтобы его кристаллическая решётка соответствовала как с арсенидом галлия GaAs, так и с твёрдым раствором InGaAs.

Дата последнего обновления файла 22.08.2020

Вместе со статьей "Гетеропереходы" читают: