3480 КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ

Введение

Физика полупроводников последних 10 лет – это физика полупроводниковых квантоворазмерных гетероструктур (наноструктур). В наноструктурах движение носителей заряда ограничено в одном или более направлениях, что ведет к кардинальному изменению энергетического спектра носителей заряда, фононов и возникновению целого ряда новых интересных физических явлений.

Наноструктуры – фундамент для создания новых перспективных приборов, таких как лазеры, фотоприемники, быстродействующие модуляторы излучения и т.д.

Важнейшее достоинство наноструктур – это возможность управлять свойствами системы, изменяя геометрические размеры и конфигурацию квантоворазмерной части структуры. Открывается широкая возможность конструирования параметров структур, энергетического спектра носителей заряда и фононов и, следовательно, оптических и электрических свойств наноструктур [1].

Физика наноструктур – быстроразвивающаяся область науки, однако соответствующая литература издается в основном за рубежом, а в России – в ограниченном количестве. Настоящая работа посвящена описанию основных видов гетероструктур и особенностей размерного квантования носителей заряда в структурах с квантовыми ямами, проволоками и точками.

 

1. Гетероструктуры: основные понятия

 

Рассмотрим основные, сложившиеся к настоящему моменту, понятия в низкоразмерной физике полупроводников. Среди квантоворазмерных структур выделяют следующие виды (в скобках указаны названия и их сокращения на английском языке) [1]:

– квантовые ямы (quantum wells, QW);

– квантовые проволоки (quantum wires, quantum well wires, QWWs);

– квантовые точки (quantum dots, QDs);

– множественные квантовые ямы (multi quantum wells, MQW);

– сверхрешетки (superlattices, SLs);

– двух- и трехбарьерные резонансно-туннельные структуры (double- and triple-barrier resonance-tunneling structures);

– одиночная квантовая яма (single quantum well, SQW);

– двойная квантовая яма (double quantum well);

– антиточки (antidots);

– дельта-легированные структуры (d-doped structures);

– квантовые микрорезонаторы (quantum microcavities);

– фотонные кристаллы (photonic crystals);

– гетероструктуры I, II и III типов (type-I, type-II and type-III heterostructures) на рис.1-3;

– пористые полупроводниковые материалы;

– фуллерены, нанокластеры, нанотрубки, наноконтакты и т.д.

Наноструктуры различаются по квантовым состояниям для соответствующих частиц и их комплексов:

– размерно-квантованные состояния свободных носителей заряда (НЗ) и экситонов (quantum dimensional states);

– подзоны и минизоны для НЗ (minibands);

– размерно-квантованные интерфейсные фононы, оптические фононы и акустические фононы с ломаным спектром (folded acoustic phonons);

– двумерный магнитный полярон;

– композитные фермионы и краевые состояния в квантовом эффекте Холла и т.д.

 

2. Классические гетероструктуры

 

Идея использования гетероструктур в микроэлектронике возникла на заре ее развития. В. Шокли в своем первом патенте [2], связанном с транзисторами на p-n-переходах, для повышения эффективности инжекции предложил использовать широкозонный эмиттер.

В [3] Ж. Алферовым кратко сформулированы результаты развития классических гетероструктур в России и за рубежом.

1. Фундаментальные физические явления (рис. 4):

– односторонняя инжекция;

– сверхинжекция;

– диффузия во встроенном электрическом поле;

– электронное ограничение;

– оптическое ограничение;

– эффект широкозонного окна;

– диагональное туннелирование через гетерограницу.

Важнейшие направления для применения в микроэлектронике:

– полупроводниковые лазеры с низким порогом тока, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, лазеры с распределенной обратной связью и брэгговскими зеркалами, поверхностно-излучающие лазеры, лазеры на гетероструктурах II типа;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– высокоэффективные светодиоды;

– солнечные элементы и фотодетекторы с эффектом широкозонного окна;

– полупроводниковая интегральная оптика, основанная на полупроводниковых лазерах с распределенными брэгговскими зеркалами и распределенной обратной связью;

– биполярные транзисторы с широкозонным эмиттером;

– диоды, транзисторы, тиристоры и динисторы, в том числе и с передачей светового сигнала;

– преобразователи длины волны излучения;

– эффективные холодные катоды.

Важнейшие технологические особенности классических гетероструктур:

– принципиальная необходимость создания структур с хорошим согласованием параметров решетки;

– использование многокомпонентных твердых растворов для согласования параметров решетки;

– принципиальная необходимость использования технологий эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Гетероструктуры с квантовыми ямами

3.1. Основные разновидности и физические явления

Реализация высококачественных гетероструктур (с резкими гетерограницами) стала возможной благодаря развитию методов эпитаксиального выращивания с прецизионным контролем толщины, планарности, состава и т.д. Один из методов – метод эпитаксии из молекулярных пучков (МПЭ), другой – метод газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений (МОС  ГФЭ) [3].

Фундаментальные физические явления в гетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ):

– двумерный электронный и дырочный электронный газ;

– ступенчатый вид функции плотности состояний для НЗ, находящихся в квантовой яме;

– квантовый эффект Холла;

– дробный квантовый эффект Холла;

– существование экситонов при комнатной температуре вследствие их большой энергии связи;

– резонансное туннелирование в структурах с двойным барьером и в сверхрешетках;

– определение энергетического спектра НЗ выбором потенциала (высоты барьера) и встроенных упругих напряжений;

– стимулированное излучение при резонансном туннелировании в сверхрешетках;

– псевдоморфный рост напряженных структур.

Важнейшие направления для применений гетероструктур с квантовыми ямами:

– достижение меньших значений порогового тока, большее дифференциальное усиление, более слабая температурная зависимость порогового тока в лазерах с квантовыми ямами по сравнению с лазерами на основе классических гетероструктур;

– инфракрасные квантовые каскадные лазеры;

– лазеры с квантовой ямой, ограниченной короткопериодной сверхрешеткой;

– оптимизация электронного и оптического ограничения и характеристик волновода в полупроводниковых лазерах;

– транзисторы с двумерным электронным газом;

– резонансно-туннельные диоды;

– высокоточные стандарты сопротивлений;

– электрооптические модуляторы и приборы на основе эффекта электропоглощения;

– инфракрасные фотодетекторы, работающие в окнах прозрачности атмосферы, на основе эффекта поглощения между уровнями размерного квантования.

Важные технологические особенности:

– необходимость использования технологий с низкими скоростями роста;

– применение метода субмонослойного выращивания;

– подавление распространения дислокаций несоответствия в процессе эпитаксиального роста;

– резкое увеличение разнообразия материалов для гетероструктур.

Рассмотрим некоторые примеры распространенных гетеропар: GaAs/AlxGa1-xAs, CdTe/Cd1-xMnTe, InAs/AlSb, Zn1-xCdxSe/ZnSySe1-y, ZnSe/BeTe, ZnSe/GaAs, AlGaInP/GaInP, Si1-xGex/Si1-yCy и т.д., где x, y или 1–x, 1–y означают долю атомов одного сорта в узлах кристаллической решетки или какой-либо из подрешеток.

Гетеропереход I типа (рис. 1) образует, например, пара GaAs/Al0.35Ga0.65As, II типа – InAs/AlSb или ZnSe/BeTe (рис. 2) и, наконец, III типа (рис. 3) – HgTe/CdTe [1].

Двойной гетеропереход I типа B/A/B представляет собой структуру с одиночной квантовой ямой, если ширина запрещенной зоны в материале А меньше, чем для материала В, т.е. EgA < EgB, или структуру с одиночным барьером, если EgA > EgB. В первом случае внутренний слой А образует потенциальную яму, в которой происходит размерное квантование электронных и дырочных состояний. Во втором случае слой А образует барьер для электронов и дырок. Двойной гетеропереход II типа является структурой с квантовой ямой для одного типа НЗ и одновременно структурой с одиночным барьером для другого типа НЗ. Используя в качестве композиционного материала А твердый раствор и изменяя его состав в процессе эпитаксиального роста, можно создавать потенциальные ямы необходимой формы – треугольные, параболические и др.

Развитием однобарьерной структуры являются двух- и трехбарьерные структуры, т.е. одиночная или двойная квантовые ямы, отделенные барьерами конечной ширины от полубесконечных слоев с меньшей шириной запрещенной зоны [1]. Продолжением структуры с одиночной квантовой ямой является структура с двумя или целым набором квантовых ям (MQW). С точки зрения электронных свойств каждая из этих ям является изолированной, однако наличие многих ям сказывается на оптических свойствах.

Периодическая структура с квантовыми ямами, разделенными не очень широкими барьерами, называется сверхрешеткой [1]. Термин “сверхрешетка” используется тогда, когда НЗ – электрон или дырка – может туннелировать из одной ямы в другую и длина свободного пробега этого НЗ вдоль оси роста превышает период структуры d = a+b, где a – ширина ямы, а b – ширина барьерного слоя. В результате взаимодействия волновых функций НЗ в различных ямах энергетические уровни размываются в минизоны.