Оптоэлектроника

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ И КВАНТОВЫЕ ЯМЫ

В главе 5 мы уже видели, что принципиально важной характеристикой полупроводнико­вого материала является существование запрещенных энергетических зон или, запрещен­ных зон, отделяющих богатую электронами валентную зону от бедной электронами зоны проводимости. При этом как запрещенная, так и разрешенные энергетические зоны, определяются объемным потенциалом кристаллического материала.

В основе проектирования зонных структур лежит гетеропереход, реализуемый при синтезе одного полупроводникового слоя на другом. Для некоторых специально выб­ранных полупроводников, обладающих совместимыми кристаллическими структура­ми и постоянными решетки, можно достичь эпитаксиального выращивания одного материала на другом. В этом случае расположение атомов второго материала образует виртуально совершенное продолжение лежащей ниже кристаллической решетки. Из тщательно подобранных условий композиционный переход между двумя материалами может быть сделан практически идеально резким (т. е. во многих случаях протяжен­ность гетерограниц может составлять величину в пределах монослойной шкалы).

Вдали от гетероперехода и в глубине объема двух материалов электроны под­вержены воздействию объемных потенциалов (запрещенных зон и зонной структу­ры), характерных для каждого из образующих объемных материалов. Количествен­ное описание такого изменения потенциала требует расчетов на атомном уровне. Расчеты такого уровня (проводимые численными методами с использованием ком­пьютеров) являются чрезвычайно сложными и лежат вне основного содержания настоящей книги. Тем не менее, такие расчеты показывают, что в масштабе не­скольких атомных слоев вблизи границы раздела имеет место перенос электричес­кого заряда, который, в свою очередь, создает зарядовый диполь границы раздела, ответственный за резкий скачок электростатического потенциала на границе разде­ла, который накладывается на кристаллический потенциал. По обе стороны от пе­реходной области (на протяжении нескольких монослоев) электроны обладают ха­рактеристиками образующих систему полупроводников (запрещенные зоны, эф­фективные массы и т. д.). В то же время относительное положение валентных зон определяется процессом переноса заряда. С макроскопической точки зрения мы можем рассматривать гетеропереход как систему, для которой нарушается непре­рывность валентной зоны или имеет место разрыв валентной зоны А£. Для наших целей будем считать, что АЕу> является параметром (определяемым эксперименталь­но или предсказываемым более детализированными теоретическими моделями), который зависит исключительно от пары материалов, образующих гетеропереход.

Как только становится известным разрыв валентной зоны, разрыв зоны прово­димости АЕс может быть тривиально определен с использованием наших знаний о ширине запрещенной зоны объемных материалов. При этом важно отметить, что с учетом химической природы зарядового диполя границы раздела, его влияние ог­раничено сравнительно ограниченным числом химических связей, которые пере­крывают гетерограницу.

В рассматриваемом случае возможны три типа структур (смотрите рис. 8.1): в первом случае вся запрещенная зона более узкозонного полупроводника находится в пределах зоны проводимости и валентной зоны более широкозонного полупро­водника (в данном случае имеют место гетероструктуры типа 7); в альтернативном варианте один из разрывов зон может быть больше различия ширины запрещенной зоны двух полупроводниковых материалов (гетероструктуры типа II) и, наконец, величина одного из разрывов может быть больше ширины запрещенной зоны наи­более широкозонного полупроводника (гетероструктуры типа III).

1 2

Рис. 8.1. Три типа гетероструктур, реализуемые в системе из двух полупроводников,

Обладающих шириной запрещенной зоны £1 и Е* ветственно зону проводимости и валентную зону.

Для электрона в зоне проводимости гетероструктуры зонный разрыв представ­ляет, по сути, скачок потенциальной энергии в области гетероперехода. При задан­ной полной энергии Ехо{ электрон будет обладать кинетической энергией ЕХ0Х—ЕсХ в полупроводнике 1 и кинетической энергией Ехо—Ес2 в полупроводнике 2, где Ес. есть энергия дна зоны проводимости полупроводника /. В результате, осаждая пос­ледовательность полупроводниковых слоев (каждый из которых имеет соответству­ющую толщину и состав) можно сформировать любой необходимый профиль потен­циала вдоль направления роста кристалла. При этом наши возможности принци­пиально ограничены набором доступных материалов и возможностью их эпитаксиального выращивания. Понятно, что кристаллические структуры материа­лов должны иметь практически идентичные постоянные решетки. В противном случае полупроводник, осажденный на первый слой, будет подвержен очень боль­шой энергии упругой деформации, приспособиться к которой кристалл сможет толь­ко в том случае, когда толщина слоя останется малой. За пределами области крити­ческой толщины напряжение в эпитаксиальных слоях будет релаксировать, разрывая практически совершенную кристалличность структуры и ухудшая оптоэлектронные свойства, которые в других условиях могут быть обеспечены этими материалами. Например, в случае 1пАб лишь немного менее двух монослоев могут быть эпитак­сиально осаждены на ваЛз до того, как начнется процесс релаксации с образова­нием трехмерных островков.

На рисунке 8.2 показана связь между шириной запрещенной зоны и посто­янной решетки для различных объемных материалов. Требование точного соот­ветствия постоянных решетки для различных объемных полупроводников делит
эти полупроводники на пять отчетливо выраженных групп с точки зрения со­вместимости по постоянной решетки. Среди этих материалов наиболее контроли­руемыми являются твердые растворы СаАБ/А^Са^АБ, при этом могут быть полу­чены материалы с любым содержанием А1, поскольку постоянная решетки суще­ственно не изменяется с составом х. Двумя другими важными системами являются вах 1п1 _ х Аз Р1 _ и А1х 1п1 _ х Аб, которые могут быть получены осаждением на подложки 1пР, а также ЫА^ _х БЬх и А1хСа1 _х БЬ на подложках 1пР и 1пА5} _х 8Ь и А1хСа1 _х БЬ на подложках ваЗЬ. И, наконец, постоянные решетки _хСй хТе хоро­шо соответствуют осаждению на подложки СсГГе, а также они обеспечивают воз­можность получения материалов с шириной запрещенной зоны, изменяющейся от видимой области спектра вплоть до нуля и возможность получения материалов с отрицательной запрещенной зоной, что свидетельствует о поведении этого матери­ала как полуметалла в этом диапазоне составов.