гетеропереход

ГЕТЕРОПЕРЕХОД - контакт двух различных по хим. составу полупроводников. Г. может быть образован между двумя монокристаллич. или аморфными полупроводниками, между монокристаллич. и аморфным полупроводниками, однако наиб. практич. значение имеют Г., образованные монокристаллами. На границе Г. происходит изменение свойств полупроводникового материала: структуры энергетич. зон, ширины запрещённой зоны , эффективных масс носителей заряда, их подвижности и т. д. Г. наз. изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом проводимости, и анизотипным, если проводимость разного типа. Одними из первых были получены и исследовались Г. Ge-GaAs.

Для получения идеальных монокристаллич. Г. (без дефектов решётки и поверхностных состояний на границе раздела) необходимо, чтобы у полупроводников совпадали типы кристаллических решёток, их периоды (изопериодичность) и коэф. термич. расширения. Практически важны Г., близкие к идеальным. Для их получения периоды решёток а должны совпадать с точностью ~0,1%. Пример идеального Г.: GaAs - твёрдый раствор Al_xGa_1-xAs. B зависимости от способа получения Г. толщина l переходной области между двумя однородными полупроводниками может варьироваться в широких пределах, в наиб. резких Г. l~20 (4-5 атомных слоев).

Зонная диаграмма описывает большинство электрич., оптич. и др. свойств Г. Для её построения необходимо знать ширины запрещённых зон , работы выхода Ф, электронное сродствои диэлектрическую проницаемость для обоих полупроводников. Рассмотрим, напр., зонную диаграмму идеального резкого анизотипного п-P- Г. (заглавная буква здесь и дальше обозначает более широкозонный полупроводник, имеется в виду ширина запрещённой зоны). При приведении полупроводников (рис. 1, а)в контакт в системе устанавливается термодинамич. равновесие (рис. 1, б), к-рое характеризуется единым ферми-уровнем для обоих полупроводников и наличием контактной разности потенциалов (е - элементарный заряд) и электрич. поля E в приконтактной области.

Рис. 1. Построение зонной диаграммы идеального резкого n- Р-гетероперехода: а - зонные диаграммы двух изолированных проводников, - дно зоны проводимости, - потолок валентной зоны, - уровень Ферми (энергии отсчитываются от энергии в вакууме вблизи поверхности полупроводника); б- зонная диаграмма n -Р-гетероперехода.

В идеально резком Г. контактный потенциал V (z) и энергия электрона вблизи поверхности образца - непрерывные ф-ции координаты z, нормальной к границе Г., причём . Поэтому непрерывна и нормальная составляющая вектора электрич. индукции , где E₁ и E₂ - нормальные составляющие электрич. поля в полупроводниках вблизи границы раздела. Отсюда следует, что на границе резкого Г. при нормальная составляющая электрич. поля E (z)имеет разрыв, а т. к. , то V(z) и имеют излом. Предполагается, что величины и обоих полупроводников постоянны вплоть до границы раздела. T. к. непрерывна, то при на границе Г. имеют место разрывы: , . Ф-ция V(z) находится из решения Пуассона уравнения. В случае невырожденного n-P-Г. из этих решений следует, что V₁ и V₂, приходящиеся на полупроводники п- и Р-типов, связаны соотношением

где N_Д1 и N_A2 - концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках 1 и 2. Из (1) следует, что при небольшом различии изменение потенциала V(z) происходит гл. обр. в слаболегир. полупроводнике. Для невырожденного n-N-Г. (рис. 2) величины V₁ и V₂ связаны неравенством:

откуда видно, что даже при , т. е. изменение V (z)происходит в широкозонном полупроводнике.

Разрывы зон - наиб. характерная особенность зонных диаграмм идеальных резких Г. Однако реальный Г. не является абсолютно резким, т. е. существует переходная область, в пределах к-рой происходит изменение хим. состава вещества. В пределах этой области непрерывно изменяются от , до и разрывы в зонах отсутствуют. Заметное "размывание" пичков, характерных для зонной диаграммы резкого Г., происходит, когда толщина переходной области , где N_П - концентрация легирующей примеси в переходной области. При Г. наз. плавным (рис. 3). В плавном изотипном Г. при (l_D - дебаевская длина экранирования) в области Г. практически не образуется объёмного заряда (рис. 3, а), переходная область представляет собой кристалл с переменной (варизонный полупроводник). На рис. 3, б показана зонная диаграмма плавного анизотипного Г.

Рис. 2. Зонная диаграмма идеального резкого п - N-гетероперехода.

Рис. 3. Зонные диаграммы плавных гетеропереходов: а - изотипного; о - анизотипного; стрелкой показана сила, действующая в варизонном полупроводнике на неосновные носители заряда.

Свойства Г. и их зонные диаграммы сильно зависят от "резкости" и положения перехода "по легированию" относительно перехода по хим. составу (на рис. 1, б и 2 оба перехода резкие и их положения совпадают в пространстве).

Механизмы протекания тока. В резком Г. благодаря разрывам и высоты потенц. барьеров для электронов и дырок разные. При т. н. прямом смещении (см. р-n-переход) на резком анизотипном Г. потоки носителей из узкозонного полупроводника в широкозонный и обратно различны и токи инжектир. электронов и дырок отличаются на множитель, пропорц. . Поэтому в Г. обычно происходит односторонняя инжекция носителей из широкозонного полупроводника (эмиттера) в узкозонный (рис. 4, а).

При нек-ром значении напряжения плотность инжектированных в узкозонный полупроводник носителей превысит плотность равновесных носителей в широкозонном эмиттере (сверхинжекция). При этом максимально достижимая концентрация инжектир. носителей:

где N_A, N_Д - концентрации акцепторов и доноров в широкозонном эмиттере, L - длина диффузии носителей. Впервые сверхинжекция наблюдалась в Г.

.

При прямом смещении на резком анизотропном Г. инжектир. носители (дырки в случае n-P-T.)должны преодолеть потенц. барьеры (пички), возникающие из-за разрывов зон. Механизмы протекания тока через эти барьеры, дополнительные по сравнению с р-n-переходом (туннельный и термоинжекционный) зависят от величины смещения на Г., температуры, а также от степени легирования полупроводников.

Рис. 4. Инжекция носителей в гетеропереходе при прямом смещении: а - односторонняя инжекция дырок в резком n-Р-гетеропереходе; б -в плавном n-P-гетеропереходе в присутствии внутренних "тянущих" полей; - квазиуровни Ферми электронов и дырок.

В плавном Г. на неосновные носители заряда действует внутр. электрич. поле E_i, возникающее из-за изменения : (рис. 3, а). При прямом смещении (рис. 4, б)в этом случае также происходит односторонняя инжекция дырок в более узкозонную часть, причём за счёт "тянущих" внутр. полей эффективная диффузионная длина инжектир. дырок будет больше, чем в однородном кристалле с постоянной (в варизонном полупроводнике при диффузии против поля E_i диффузионная длина L уменьшается).

Излучательная рекомбинация. В Г. на основе прямозонных полупроводников излучат. рекомбинация наблюдается при оптич. возбуждении носителей, а также при инжекции неравновесных носителей при прямом смещении на N-р- или р-N-Г. При оптич. возбуждении, если энергия фотонов удовлетворяет условию

где e_g1- ширина запрещённой зоны узкозонного, - широкозонного полупроводников, то спектр излучения Г. совпадает со спектром фотолюминесценции узкозонного полупроводника. При спектр состоит из полос люминесценции широкозонной и узкозонной частей. При протекании прямого тока через анизотипный Г. спектр электролюминесценции зависит от сдвига между переходами по легированию и по хим. составу. При их совпадении в пространстве имеет место односторонняя инжекция иеравновесных носителей заряда в узкозонный полупроводник и в спектре доминирует его полоса излучения: . При смещении перехода по легированию на в узкозонную часть наблюдается полоса излучения в области hwye_g1. . При смещении в широкозонную часть на расстояние наблюдаются 2 полосы: hw₁ye_g1. и hw₂ye_g2.

Фотоэффект в Г., как и в р-n-переходе, возникает за счёт пространственного разделения в поле объёмного заряда Г. возбуждённых светом носителей. При освещении поверхности р-N-Г. или n-P-Г. со стороны широкозонного полупроводника в узкозонном полупроводнике поглощаются фотоны с энергией, удовлетворяющей (3) (рис. 5, а). Широкозонный полупроводник служит в этом случае "окном", прозрачным для света, поглощаемого в узкозонном слое, и защищает область генерации неравновесных электронно-дырочных пар от рекомбинац. потерь на поверхности кристалла. Область спектральной чувствительности фотоэффекта определяется формой потенц. барьеров на границе. В резких Г. барьеры, возникающие из-за разрывов зон, препятствуют разделению носителей, возбуждаемых светом при его поглощении в узкозонном полупроводнике (рис. 5, б). В плавных Г. разрывы зон и пички на границах отсутствуют, благодаря чему достигается постоянная спектральная чувствительность в диапазоне :

Заключение. Особенности зонных диаграмм Г. и связанные с ними односторонняя инжекция, сверхинжекция, инжекция в тянущих полях делают Г. мощным средством управления потоками носителей в полупроводниках. Благодаря этому электрич. характеристики транзисторов, тиристоров и др. полупроводниковых приборов на основе Г. лучше, чем у аналогичных приборов на основе р-n-переходов. Особенности излучат. рекомбинации и вентильного фотоэффекта послужили основой для создания оптоэлектронных приборов (гетеролазеров ,светодиодов, фотодетекторов и др.; см. Гетероструктура).

Рис. 5. Фотоэффект в плавном гетеропереходе: а - зависимость фототока от энергии фотонов (пунктир - длинноволновая граница спектральной чувствительности в случае резкого гетероперехода); б- зонная диаграмма (пунктир - форма барьеров в резком гетеропереходе).