1 Лекция 3. Электронные свойства границ раздела в низкоразмерных структурах Использованы: 1)Учебник: Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Наноэлектроника. - М., Бином, )Щука А.А. Наноэлектроника. – М., Физматкнига, )Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. – Н., НГТУ, ) %D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE %D1%80-%D1%83%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2- %D0%B4-%D0%B0-stranica-1. html (Отчет по практике Шатунова Д.А. – СГУ) %D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE %D1%80-%D1%83%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2- %D0%B4-%D0%B0-stranica-1.html

Влияние границ 2 Потенциальные барьеры могут иметь различную природу и реальные границы раздела обусловливают дополнительные квантовые эффекты Квантовое ограничение Кроме того Влияют на

Типы границ 3 Свободные поверхности Межфазные границы Образуются между материалами с отличающимися физическими свойствами Образуется на поверхности любого материала

Консервативная реконструкция поверхности Происходит перостройка связей поверхностных атомов, при этом происходит их смещение 4

Вывод о влиянии реконструкции В процессе реконструкции симметрия решетки в приповерхностной области резко отличается от симметрии в объеме вещества Глубина 2-3 межатомных слоя На рисунке схеме, характерная для материалов с ковалентными связями типа Si или Ge Уменьшено межплоскостное расстояния «поперек», увеличено «вдоль» 5

Реконструкция поверхности кремния ориентации (100) 6

Димеры на поверхности (сканирующая туннельная микроскопия) 7

Поверхность Si(100) ~ 200 К Заморозка переключений димеров 8

Поверхность кремния (111) Реконструкция (2x1) – она неустойчива и переходит при нагреве до 400 °С в (7x7) 9

Неконсервативная реконструкция поверхности При неконсервативной реконструкции число атомов в реконструированном слое уменьшается часть их в результате перостройки связей покидает поверхность 10

Поверхность кремния (111) в реконструкции (7 х 7) 12 адатомов, 2 треугольные подъячейки, одна из которых содержит дефект упаковки, 9 димеров, ограничивающие треугольные подъячейки, одна глубокая угловая ямка. 11

Описание Адатомы занимают положения Т 4 на поверхности второго слоя и образуют локальную структуру 2x2. Двойной слой Si(111), включающий в себя атомы второго и третьего слоев, состоит из треугольных подъячеек. Подъячейки попеременно содержат и не содержат дефекты упаковки и ограничены рядами димеров. В углах ячейки кольца из 12 атомов окружают угловые ямки. 36 из 42 атомов второго слоя связаны с адатомами и их химические связи насыщены. Оставшиеся шесть атомов, у которых ненасыщенные связи сохранились называют рост-атомами. структура 7x7 содержит в сумме 19 ненасыщенных связей на элементарную ячейку, из которых 12 приходится на адатомы, шесть на рост-атомы и одна на угловую ямку. Отметим, что в случае идеальной объемоподобной поверхности элементарная ячейка 7x7 содержит 49 ненасыщенных связей. 12

13

Члены семейства (2n + 1)х(2n + 1) реконструкций типа: 3x3, 5x5, 7x7, 9x9 14

Заключение 1. Особенности реконструированной поверхности влияют на ее электронные свойства и на последующее эпитаксиальное осаждение на нее других материалов. 15

Заключение 2. Адсорбированные на поверхности атомы и молекулы образуют связи, нетипичные для объема твердого тела. В результате атомная структура и, соответственно, фундаментальные электронные свойства приповерхностного слоя приобретают существенные отличия от свойств, типичных как для объема твердого тела, так и для его реконструированной или переконструированной поверхности. 16

Заключение 3. Когда две свободные поверхности располагаются близко друг к другу (как, например, в квантовой пленке или квантовом шнуре), модифицированные приповерхностные слои могут перекрываться и кардинально изменять свойства таких структур. 17

Межфазные границы образуются между материалами с различными физическими свойствами В случае полупроводников из всех возможных комбинаций моно-, поликристаллической и аморфной фаз граница между двумя монокристаллическими областями имеет наиболее управляемые и воспроизводимые свойства. 18

Условие возникновения потенциального барьера Если контактирующие полупроводники имеют одинаковый химический состав, они должны отличаться типом основных носителей заряда, а При одинаковом типе основных носителей заряда их концентрации должны быть существенно различны. Полупроводники же с разным химическим составом должны иметь близкие, а в идеальном случае - совпадающие параметры решеток. 19

Сверхрешетки Монокристаллическую пленку из одного материала, воспроизводящую постоянную решетки монокристаллической подложки из другого материала, называют сверхрешеткой. Когда оба материала имеют идентичные или очень близкие постоянные решеток, они образуют так называемые псевдоморфные (pseudomorphic) сверхрешетки. Среди полупроводников таких материалов очень мало. 20

Общая классификация СР 21 Полупроводниковые СР монокристаллические аморфные композиционные легированные Легированные композиционные КСР I типаКСР II типа Политипные изопериодическиеспиновые СР полупроводник- полуметалл на основе кремния с напряженными слоями

Образование напряженной и релаксированной сверхрешеток 22

Два основных типа СР 23 Композиционные СР (КСР) Состоят из периодической последовательности полупроводников разного химического состава Легированные СР (ЛСР) Представляют собой последовательность слоёв n- и р-типа одного материала с возможными беспримесными прослойками между ними (nipi-кристаллы) Потенциальный профиль Создается за счет периодического изменения ширины энергетической запрещенной зоны в направлении роста кристалла Обусловлен электростатическим потенциалом ионизированных примесей

Типы композиционных СР 24

КСР типа I разрывы зоны проводимости Е с и валентной зоны Е v имеют противоположные знаки, а запрещенные зоны E gi полностью перекрываются. Такие CP называют также «контравариантными» композиционными СР. Характерной чертой данных CP является то, что узкозонный слой, зажатый между широкозонными слоями, образует две прямоугольные КЯ - одну для электронов, а другую для дырок. 25

КСР типа II Изменения краев зоны проводимости и валентной зоны имеют одинаковый знак, а запрещенные зоны перекрываются лишь частично, либо не перекрываются вообще («ковариантная» КСР). Характерной чертой данных CP является пространственное разделение носителей, локализованных в квантовых ямах (КЯ). Электроны в КЯ одного ПП, дырки – в КЯ другого 26

Политипная СР Трехкомпонентная система, в которой слои, образующие СР типа II, дополняются широкозонным материалом 27

ЛСР Особенность ЛСР – использование для их создания любого ПП, допускающего легирование как донорами, так и акцепторами 28

Общая классификация СР 29 Полупроводниковые СР монокристаллические аморфные композиционные легированные Легированные композиционные КСР I типаКСР II типа Политипные изопериодическиеспиновые СР полупроводник- полуметалл на основе кремния с напряженными слоями Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. – Н., НГТУ, 2000.

CРCР 30