Гетеропереходы и гомопереходы

Гетероструктура - полупроводниковая система с несколькими гетеропереходами. Гетеропереход - контакт двух различных по химическому составу полупроводников (иногда называется гетеро-парой). Гетеропереход образуется между двумя монокристалличе­скими полупроводниками, иногда между аморфными или поликристаллическими материалами.

Гетеропереходы бывают резкие (ширина перехода в несколько монослоев) и плавные (ширина перехода десятки слоев и более).

Для идеальных резких гетеропереходов - гетеропереходы I типа состоят из полупроводников, у которых на зонной диаграмме разрывы в зоне проводимости и валентной зоне имеют противопо­ложные знаки (запрещенная зона широкозонного полупроводника перекрывает запрещенную зону узкозонного полупроводника).

Гетеропереход называется изотипным, если образован полупроводниками с одним типом проводимости; а если образован полупроводниками с разным типом проводимости - анизотипным.

Гомопереход - контакт двух областей с разными типами проводимости или концентрациями легирующих примесей в одном и том же полупроводнике. Различают p-n переходы, в которых первый полупроводник легирован акцепторной примесью, а второй - донорной примесью, n-n и p-p переходы, у которых первая область заметно более легирована той же примесью, чем другая.

Сверхрешетка - твердотельная периодическая структура, в которой на носители заряда действует дополнительный периодический потенциал, как правило, одномерный, с периодом меньше длины свободного пробега электронов, но значительно больше пе­риода основной решетки материала (от нескольких нм до десятков нм).

Сверхрешетка формируется из периодически расположенных гетеропереходов, материалы которых различаются по типу легирования и химическому составу. Таким образом, возникает периодическая система квантовых ям, разделенных сравнительно узкими барьерными слоями с заметной туннельной прозрачностью, поэто­му волновые функции электронов перекрываются.

Композиционные сверхрешетки - такие сверхрешетки, которые сформированы из нескольких гетеропереходов между различными полупроводниками. В композиционных решетках I типа запрещен­ные зоны полупроводников перекрываются полностью и такие сверхрешетки еще называют контрвариантными сверхрешетками. Типичный пример: GaAs/AlGaAs.

Легированные сверхрешетки - периодическая последователь­ность слоев одного и того же полупроводника, легированного двумя различными способами. Часто используется GaAs с чередующимися n- и p - слоями с относительно малой концентрацией примесей до 10¹⁷- 10¹⁹ см^-3.

Аморфные сверхрешетки состоят из чередующихся аморфных полупроводников a-Si:H/a-Ge:H - твердых растворов водорода в полупроводниках.

Методы формирования квантовых ям, нитей

Низкоразмерные системы

Низкоразмерные системы - такое состояние конденсированного вещества, когда движение носителей заряда ограничено в одном, двух или трех измерениях. Соответственно речь пойдет о двумерных, одномерных и нульмерных объектах. Квантовое ограничение реализуется в тех случаях, когда характерная квантовая длина (длина де Бройля или размер волновой функции квазичастицы) носителя заряда становится равной или меньше соответствующего физического размера объекта. В случае ультратонкой пленки с толщиной до нескольких десятков нанометров электрон или дырка оказываются в прямоугольной квантовой яме, их движение в которой свободно в плоскости XY и ограничено в перпендикулярном направлении Z. Энергетические состояния носителей заряда квантуются, образуя систему дискретных уровней в направлении Z. В случае ограничения движения объекта в двух направлениях ZX движение частицы свободно в направлении Y, а в двух других - энергетические состояния квантуются. Тогда говорят о квантовой нити или проволоке. При ограничении движения частицы во всех трех направлениях движения, говорят, что это квантовая точка.

Наносистемы с квантовыми ямами

Формирование гетероструктур с квантовыми ямами производится с помощью размещения тонкого слоя полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями полупроводника с более широкой запрещенной зоной. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию поперечного движения.

Очень важно, чтобы периоды кристаллических решеток этих слоев, имеющих различный химический состав, были близки. Тогда не возникают механические напряжения между пленками и можно создать гетеростуктуру с квантовой ямой.

С помощью МЛЭ слои осаждают GaAs между слоями Al_xGa_1-xAs и возникает прямоугольная квантовая яма. Толщина слоев несколько нм, х находится в диапазоне от 0,15 до 0,35. В композиционных сверхрешетках полупроводниковые слои нелегированные, благодаря чему квантовые ямы можно считать прямоугольными.Ситуация меняется в легированных композиционных сверхрешетках. Например, проводится модулированное легирование донорной примесью в сверхрешетке GaAs/Al_xGa_1-xAs и привычные прямоугольные ямы трансформируются в квантовые ямы параболического типа.

Одиночную параболическую квантовую яму можно реализовать в легированных структурах вида n-p-n или p-n-p. Квантовые ямы с параболическим потенциальным профилем можно создать и в гетероструктурах GaAs и AlGa_1-xAs