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.

Нитрид галлия и карбид кремния обладают уникальными свойствами. Прежде всего это широкая запрещённая зона, что позволяет работать при более высоких температурах окружающей среды, например, для карбида кремния t_max = 600 C° . Кроме того, появляется возможность использовать полупроводник с собственной проводимостью в качестве подложки с полуизолирующими свойствами. Для нитрида галлия (GaN) ширина запрещённой зоны составляет 3,5 эВ, а для карбида кремния (SiC) (в его β модификации кристаллической формы) 3,2 эВ.

Большая теплопроводность карбида кремния λ = 3,5 Вт/см·К позволяет создавать более мощные по сравнению с кремнием λ = 1,48 Вт/см·К и арсенидом галлия λ = 0,55 Вт/см·К электронные приборы, а большая подвижность электронов у AlGaN μ_n = 2000 м²/В×с позволяет создавать высокочастотные мощные приборы.

Соединение таких различных полупроводниковых материалов в одном электронном приборе (создание гетеропереходов) позволяет по максимуму использовать их полезные свойства и нивелировать вредные.

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	C	Si	Ge	GaAs	AlAs	InAs	GaN	InN	GaP	InP	GaSb	AlSb	InSb
a, нм	0.3567	0.5431	0.5658	0.5653	0.566	0.6058	0.452	0.3533	0.5451	0.5869	0.6096	0.6136	0.6479
E_g^(300К) эВ	5.47	1.12	0.66	1.42	2.15	0.35	3.44	1.97	2.27	1.34	0.75	1.62	0.18
χ эВ		4.01	4.13	4.07	3.5	4.92							4.59
ε	5.7	11.9	16.2	13	10.1	15.1	9.7	15.3	11.1	12.6	15.7	12.0	16.8
μ_n, м²/В×с	0.45	0.145	0.39	0.92	0.15	3.3	0.044	0.3	0.02	0.5	0.77	0.02	8
μ_p, м²/В×с	0.38	0.045	0.19	0.04	0.014	0.05	0.02	0.35	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: