сверхрешётка

СВЕРХРЕШЁТКА - твердотельная периодич. структура, в к-рой на носители заряда (электроны), помимо обычного потенциала кристаллич. решётки (см. Внутрикристаллическое поле ),действует дополнит. потенциал. Как правило, это одномерный потенциал V(r)с периодом d, меньшим длины свободного пробега электронов, но значительно большим периода о осн. решётки (от нескольких нм до десятков нм). Наиб. интенсивно исследуются полупроводниковые С., но наряду с ними возможны металлич. и магн. С. Потенциал V(r)обычно создаётся искусственно путём чередования тонких полупроводниковых слоев, отличающихся по типу легирования и (или) хим. составу (композиционные С., гетероструктуры). В последнем случае С. можно рассматривать как периодич. систему квантовых ям, разделённых сравнительно узкими барьерными слоями с заметной туннельной прозрачностью для носителей заряда (волновые ф-ции электронов перекрываются).

Если длина свободного пробега носителей существенно превосходит период потенциала V(r), то наличие последнего видоизменяет энергетич. спектр электронов и дырок. Дополнит. периодичность вдоль одной из осей (z), наз. о сью С., приводит к тому, что компонента энергетич. спектра, связанная с движением вдоль этой оси, представляет систему узких полос - м и н и з о н. В перпендикулярной плоскости носители ведут себя как свободные частицы с соответствующей эфф. массой т. Полностью энергетич. спектр носителей заряда в С. может быть записан в виде

где i - номер минизоны, - её ширина.

На рис. показан вид плотности состояний , соответствующей такому спектру. Значения и (определяющей положение минизоны) зависят от амплитуды и формы V(z). С ростом амплитуды V(z)и её периода d ширина минизоны уменьшается. При узких минизонах волновые ф-ции электронов вдоль оси z перекрываются незначительно (прозрачность барьеров мала) и электронный спектр состоит из дискретных уровней (уширенных рассеянием). Носители заряда в С. локализованы в ямах потенциала V(z), и имеет вид ступеньки. Электронный газ в С. ведёт себя как двумерный. Напротив, при свойства С. сходны со свойствами трёхмерного полупроводника.

Плотность состояний в одномерной сверхрешётке. Для сравневпя показаны плотности состояний в трёхмерной (пунктир) и двумерной (штрихпунктир) электронных системах.

Для С. характерна резкая анизотропия важнейших электронных свойств, в первую очередь кинетич. коэффициентов и внутризонных оптич. характеристик, где полосы интенсивного межминизонного поглощения существуют лишь для света, поляризованного вдоль оси С. Последнее обстоятельство позволяет использовать С. в качестве фильтров и поляризаторов ИК-излученпя. Эффекты межминизонного поглощения находят применение в ИК-фосоприёмниках с диапазоном спектральной чувствительности, зависящим от параметров потенциала V(r).

Из-за малой ширины минизон нелинейные эффекты в проводимости вдоль осп С. проявляются при значительно меньших напряжённостях электрич. поля, чем в однородных кристаллах. Это позволяет использовать С. для нелинейного преобразования СВЧ-сигналов (генерация высших гармоник и комбинац. частот, самоиндуциров. прозрачность и др.). В пост. электрич. поле, параллельном оси С., вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет падающие N-образные участки. Благодаря их наличию С. можно использовать в качестве генератора и усилителя эл--магн. колебаний, частота к-рых может перестраиваться в широких пределах изменением электрич. поля. Сверхрешёточные гетероетруктуры находят применение также в лавинных фотодиодах. Благодаря различию в разрывах зоны проводимости и валентной зоны на гетерогранице, коэффициенты умножения электронов и дырок могут резко различаться, что способствует снижению шумов при лавинном умножении.

Интерес представляют также т. н. nipi'-сверхрешётки - химически однородные полупроводники с чередующимися п- и р-слоями, напр. в n-GaAs-i-GaAs - p-GaAs. В них амплитуда потенциала V(r), определяющая эфф. ширину запрещённой зоны, спектры фоточувствительности и люминесценции, а также ряд др. свойств могут меняться в широких пределах под влиянием внеш. подсветки или управляющего напряжения между n- и р-слоями.

Для изготовления С. на основе гетероструктур чаще всего используется система с хорошо согласующимися постоянными решётки. Однако последнее требование не является обязательным, существуют т. н. напряжённые С., где рассогласование решёток ликвидируется за счёт внутр. напряжений в слоях. Указанные напряжения, величина к-рых зависит от толщины слоев, могут заметно изменять параметры энергетич. спектра С. (напр., ширину запрещённой зоны). Это открывает дополнит. возможность управления спектром фоточувствительности и нек-рыми др. свойствами. Важнейшие материалы для изготовления напряжённых С.- твёрдые растворы, , и др. Для приёмников дальнего ИК-из лучения используются С. в системе CdTe - HgTe, успешно заменяющие однородные твёрдые растворы в той же системе. Осн. методом выращивания как гетероструктурных, так п nipi-C. служит молекулярно-лучевая эпитаксия.

Возможны также плоские С., к-рые возникают, если в двумерном электронном слое (напр., в МДП-структурe)периодически промодулировать плотность поверхностного заряда. В качестве С. для двумерных электронов может также использоваться поверхность с высокими кристаллографич. индексами (ориентационная С.). Наряду с такими статическими С. возможны также динамические С., создаваемые периодич. деформацией образца в поле мощной УЗ-волны или стоячей световой волны.

Помимо искусственных С., существуют естественные С. в виде политипных полупроводниковых соединений, напр. SiC, слоистых полупроводников типа А^IIIВ^VI (напр., GaSe), дихалькогенидов переходных металлов (напр., MoS₂, см. Сверхструктура).

Лит.: Шик А. Я., Сверхрешетки - периодические полупроводниковые структуры. (Обзор), «ФТП», 1974, т. 8, в. 10, с. 1841; Osbourn G. С., Strained-layer superlattices from lattice mismatched materials, «J. Appl. Phys.», 1982, v. 53, p. 1586; Силин А. П., Полупроводниковые сперхрешетки, «УФН», 1985, т. 147, в. 3, с. 485; Басе Ф. Г., Б у л г а к о в А. А., Тетервов А. П., Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешетками, М., 1989; X е р м а н М., Полупроводниковые сверхрешетки, пер. с англ., М., 1989; Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры, пер. с англ., М., 1989. А. Я. Шик.

   <<      Предметный указатель      >>