Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфрастр (стр. 11 из 19)
Термином «легированная сверхрешетка» принято называть периодическую последовательность слоев одного и того же полупроводника, легированных двумя различными способами. Донорные атомы в слоях n-типа поставляют электроны, которые связываются акцепторными атомами в слоях р-типа. Результирующее распределение заряда создает совокупность параболических потенциальных ям.
Необычные электронные свойства легированных сверхрешеток вытекают из специфического характера сверхрешеточного потенциала, который в этом случае является потенциалом ионизованных примесей в легированных слоях [126, 127, 167] в отличие от потенциала в композиционных сверхрешетках, определяемого различием ширин запрещенной зоны компонент сверхрешетки. Потенциал объемного заряда в легированных сверхрешетках модулирует края зон исходного материала таким образом, что электроны и дырки оказываются пространственно разделенными. Соответствующим выбором параметров структуры (уровней легирования и толщин слоев) это разделение можно сделать практически полным.
Одной из привлекательных черт легированных сверхрешеток является возможность использования для их создания любого полупроводника, допускающего легирование примесями как n-, так и р-типа. Чаще всего используется GaAs, получаемый методом МЛЭ [158], но предлагались также такие материалы, как Si [167], и соединения РbTе, Pb1-xGexTe или Pb1-xSnxTe [168].
Другое характерное преимущество легированных сверхрешеток связано со структурным совершенством этих многослойных систем. Относительно малая концентрация примесей в легированных сверхрешетках, как правило 1017—1019 см -3 [167], вносит несущественные искажения в решетку исходного материала. Следовательно, легированные сверхрешетки не содержат типичных для композиционных сверхрешеток гетерограниц, с которыми связаны возможности разупорядочения состава или появления напряжений несоответствия.
Мы имеем дело с однородным полупроводником, который лишь модулирован чередующимся типом легирования. Кроме того, эффективной ширине запрещенной зоны в легированной сверхрешетке можно придавать любое значение от нуля до ширины зоны исходного материала путем должного подбора уровней легирования и толщин слоев.
1.2.2.3. Легированные композиционные сверхрешетки
В обычных композиционных сверхрешетках полупроводниковые слои не легированы, благодаря чему квантовые ямы можно считать прямоугольными (см. рис. 5). Ситуация меняется, если один из полупроводников в сверхрешетке, например широкозонный, легировать донорной примесью. Эта специфическая ситуация изучалась в сверхрешетке GaAs—AIxGa1-xAs с модулированным легированием [115]. Поскольку край зоны проводимости в GaAs лежит ниже по энергии, чем донорные состояния в AIxGa1-xAs, электроны, покинувшие доноры в AIxGa1-xAs, могут диффундировать в нелегированные слои GaAs, пространственно разделяясь с породившими их ионизованными донорами. В конечном итоге все подвижные носители становятся локализованными в слоях GaAs, где они могут двигаться параллельно гетерогранице, не рассеиваясь на ионизованных примесях. Это приводит к существенному возрастанию подвижности указанных электронов в слоях узкозонных полупроводников.
Но пространственный перенос подвижных носителей создает в сверхрешетке области объемного заряда чередующегося знака, что вызывает периодические изгибы краев зон, показанные на рис. 8. Подвижность электронов, заполняющих состояния в квантовых ямах GaAs сверхрешеток с модулированным легированием вплоть до уровня Ферми EF, можно еще увеличить, если ввести тонкие нелегированные широкозонные прослойки [169], т. е. оставить нелегированными участки барьеров толщиной 5 —10 нм вблизи границ с GaAs. Эффект возрастания подвижности в указанных сверхрешетках наиболее выражен при низких температурах, когда слабы процессы фононного рассеяния, конкурирующие с сильно подавленным кулоновским рассеянием. При 4,2 К были достигнуты максимальные подвижности, превышающие 106 см2/(В·с) [170].
Как видно из рис. 8, в сверхрешетках с модулированным легированием привычные прямоугольные ямы сверхрешеток типа I следует трансформиро-
Рис. 8. Схема расположения последовательности слоев (слева) и координатная зависимость зонной диаграммы (справа) для сверхрешеток i-GaAs—n+ - AIxGa1-xAsс модулированным легированием. Изгибы зон вблизи гетерограниц создаются пространственными зарядами, возникающими при переходе свободных электронов с ионизованных доноров в барьерах n+ - AIxGa1-xAs в потенциальные ямы i-GaAs.
вать в квантовые ямы параболического типа. Новый тип легированных сверхрешеток на гетероструктурах, обладающих перестраиваемыми электронными свойствами (характерная черта легированных сверхрешеток) и одновременно существенно увеличенными подвижностями электронов и дырок в квантовых ямах (характерная черта сверхрешеток с модулированным легированием), был предложен Делером [171] и экспериментально реализован с помощью метода МЛЭ [172]. В такой сверхрешетке используется периодически повторяющаяся система из десяти различным образом легированных сверхтонких слоев. В общем случае структура является периодическим повторением элементов вида n-AIxGa1-xAs/i-AIxGa1-xAs/i-AIyGa1-yAs/i-AIxGa1-xAs/n-AIxGa1-xAs/p-AIxGa1-xAs/i-AIxGa1-xAs/i-AIyGa1-yAs/ i-AIxGa1-xAs/p-AIxGa1-xAs с у << х или у = 0. Основная идея, которой руководствовались при создании такой легированной гетеросверхрешетки, состоит в модификации обычной легированной сверхрешетки из широкозонного материала, например AIxGa1-xAs, путем периодического включения в нее специально нелегированных i-слоев из материала с меньшей шириной запрещенной зоны, например AIyGa1-yAs. В качестве иллюстрации на рис. 9 показаны последовательность расположения слоев в рассматриваемой периодической структуре с у = 0 и ход краев энергетических зон (в реальном пространстве) в пределах одного периода структуры.
↑
Рис. 9. Схема расположения последовательности слоев (слева) и координатная зависимость зонной диаграммы (справа) для легированной сверхрешетки GaAs — AIxGa1-xAs. Период сверхрешетки состоит из десяти отдельных слоев. Стрелка на левом рисунке показывает направление роста.
Сверхтонкие нелегированные слои i-GaAs зажаты между чередующимися легированными п- и р-слоями AIxGa1-xAs. Желаемый эффект пространственного разделения перешедших в слои GaAs свободных носителей и породивших их ионизованных примесей усиливается при введении тонких нелегированных прослоек i - AIxGa1-xAsна гетерограницах. Таким образом, период такой сверх-решетки содержит по одной легированной области AIxGa1-xAsn- и р-типа, т. е. в целом каждый период сверхрешетки состоит из 10 слоев. Это означает, что обычный ход потенциала легированной сверхрешетки периодически преры-вается потенциальными ямами, образованными материалом с меньшей шириной запрещенной зоны. Отсюда следует, что движение носителей параллельно слоям сверхрешетки почти свободно (если пренебречь остаточным примесным и фононным рассеянием), в то время как движение в направлении периодичности квантовано одномерным потенциалом, модулирующим края зон.
В основном состоянии системы амплитуда периодического потенциала объемного заряда определяется уровнями легирования и толщинами чередующихся n- и р-слоевAIxGa1-xAs. Таким образом, зонную диаграмму легированных гетеросверхрешеток можно намеренно перестраивать в широких пределах, задавая необходимым образом параметры в ходе эпитаксиального роста. Кроме того, потенциал объемного заряда, а следовательно, зонную структуру, можно изменять путем электрического или оптического возбуждения кристалла.
1.2.2.4. Классификация полупроводниковых сверхрешеток
На рис. 10 показана общая классификация сверхрешеток по структурным признакам. Здесь основным классификационным критерием является кристалличность слоев, образующих сверхрешетку.
В качестве вторичного критерия используется физическая природа сверхрешеточного потенциала. На рис. 11 представлена классификация композиционных сверхрешеток. Здесь критерием является характер относительного расположения краев зон на гетерограницах в сверхрешетке. Наконец, на рис. 12 приведена классификация композиционных сверхрешеток типа I. Здесь критериями служат характер материалов, образующих сверхрешетку, и степень согласия постоянных решетки на гетерограницах.
В настоящее время в литературе накоплен достаточно большой объем информации по сверхрешеткам и он постоянно растет. Поэтому, естественно, что некоторые вопросы остались неохваченными или же охвачены не в той степени, чтобы удовлетворить пожелания всей достаточно разнородной пользовательской аудитории. Можно было бы более подробно рассмотреть эффекты переноса в сверхрешетках и, в первую очередь, их вольтамперную характеристику, фотопроводимость, высокочастотные свойства сверхрешеток и их приборные применения. Для более углубленного изучения этих вопросов можно рекомендовать следующие статьи: [172] (описание большого числа зарубежных статей и патентов, содержащих идеи приборов на основе сверх-
Рис. 10. Общая классификация полупроводниковых сверхрешеток — многослойных структур, содержащих одномерный искусственный периодический потенциал с периодом, меньшим длины свободного пробега электронов. Приведены примеры сверхрешеток.