ГЕТЕРОПЕРЕХОД. ГЕТЕРОПЕРЕХОД - контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Гетеропереход может быть образован между двумя монокристаллическими. - презентация

1 ГЕТЕРОПЕРЕХОД

2 ГЕТЕРОПЕРЕХОД - контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Гетеропереход может быть образован между двумя монокристаллическими или аморфными полупроводниками, однако наибольшее практическое значение имеют гетеропереходы, образованные монокристаллами. На границе гетероперехода происходит изменение свойств полупроводникового материала: структуры энергетических зон, ширины запрещённой зоны, эффективных масс носителей заряда, их подвижности и т. д. Гетеропереход называется изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом проводимости, и анизотипным, если проводимость разного типа. Одними из первых были получены и исследовались гетеропереходы Ge-GaAs. Для получения идеальных монокристаллических гетеропереходов (без дефектов решётки и поверхностных состояний на границе раздела) необходимо, чтобы у полупроводников совпадали типы кристаллических решёток, их периоды (изопериодичность) и коэффициенты термического расширения. Практически важны гетеропереходы, близкие к идеальным. Для их получения периоды решёток а должны совпадать с точностью ~0,1%. Пример идеального гетероперехода: GaAs - твёрдый раствор AlxGa1-xAs. B зависимости от способа получения гетероперехода, толщина l переходной области между двумя однородными полупроводниками может варьироваться в широких пределах, в наиболее резких l~20 (4-5 атомных слоев).

3 Зонная диаграмма описывает большинство электрических, оптических и других свойств гетероперехода. Для её построения необходимо знать ширины запрещённых зон, работы выхода Ф, электронное сродство и диэлектрическую проницаемость для обоих полупроводников. Рассмотрим, например, зонную диаграмму идеального резкого анизотипного п-P гетероперехода. (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 термодинамическое равновесие (рис. 1, б), которое характеризуется единым ферми-уровнем для обоих полупроводников и наличием контактной разности потенциалов (е - элементарный заряд) и электрического поля E в приконтактной области.электронное сродство 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 б- зонная диаграмма n –Р гетероперехода. в вакууме вблизи поверхности полупроводника);

4 В идеально резком гетеропереходе контактный потенциал V (z) и энергия электрона вблизи поверхности образца - непрерывные функции координаты z, нормальной к границе гетероперехода, причём. Поэтому непрерывна и нормальная составляющая вектора электрической индукции, где E1 и E2 - нормальные составляющие электрического поля в полупроводниках вблизи границы раздела. Отсюда следует, что на границе резкого гетероперехода при нормальная составляющая электрического 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:,. Функция V(z) находится из решения уравнения Пуассона.

5 В случае невырожденного n-P гетероперехода из этих решений следует, что V1 и V2, приходящиеся на полупроводники п- и Р-типов, связаны соотношением где NД1 и NA2 - концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках 1 и 2. Из (1) следует, что при небольшом различии изменение потенциала V(z) происходит главным образом в слаболегированном полупроводнике. Для невырожденного n-N гетероперехода (рис. 2) величины V1 и V2 связаны неравенством: откуда видно, что даже при, т. е. изменение V (z)происходит в широкозонном полупроводнике.

6 Разрывы зон - наиб. характерная особенность зонных диаграмм идеальных резких гетеропереходов. Однако реальный гетеропереход не является абсолютно резким, т. е. существует переходная область, в пределах которой происходит изменение химического состава вещества. В пределах этой области непрерывно изменяются от, до и разрывы в зонах отсутствуют. Заметное "размывание" пиков, характерных для зонной диаграммы резкого гетероперехода, происходит, когда толщина переходной области, где NП - концентрация легирующей примеси в переходной области. При гетеропереход называется плавным (рис. 3). В плавном изотипном гетеропереходе при (lD - дебаевская длина экранирования) в области гетероперехода практически не образуется объёмного заряда (рис. 3, а), переходная область представляет собой кристалл с переменной (варизонный полупроводник).

7 Рис. 2. Зонная диаграмма идеального резкого п - N-гетероперехода. Рис. 3. Зонные диаграммы плавных гетеропереходов: а - изотипного; б - анизотипного; стрелкой показана сила, действующая в варизонном полупроводнике на неосновные носители заряда. Свойства гетеропереходов 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).

8 Механизмы протекания тока. В резком гетеропереходе благодаря разрывам и высоты потенциальных барьеров для электронов и дырок разные. При прямом смещении на резком анизотипном гетеропереходе потоки носителей из узкозонного полупроводника в широкозонный и обратно различны и токи инжектированных электронов и дырок отличаются на множитель, пропорциональный. Поэтому в гетеропереходах обычно происходит односторонняя инжекция носителей из широкозонного полупроводника (эмиттера) в узкозонный (рис. 4, а). При некотором значении напряжения плотность инжектированных в узкозонный полупроводник носителей превысит плотность равновесных носителей в широкозонном эмиттере (сверхинжекция). При этом максимально достижимая концентрация инжектированных носителей: где NA, NД - концентрации акцепторов и доноров в широкозонном эмиттере, L - длина диффузии носителей. Впервые сверхинжекция наблюдалась в гетеропереходе

9 При прямом смещении на резком анизотропном гетеропереходе инжектированные носители (дырки в случае n-P)должны преодолеть потенциальные барьеры, 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 гетеропереходе, 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. Ферми

10 В плавном гетеропереходе на неосновные носители заряда действует внутреннее электрическое поле Ei, 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" внутренних полей эффективная диффузионная длина инжектированных дырок будет больше, чем в однородном кристалле с постоянной (в варизонном полупроводнике при диффузии против поля Ei диффузионная длина L уменьшается).

11 Излучательная рекомбинация. В гетеропереходах на основе прямозонных полупроводников излучательная рекомбинация наблюдается при оптическом возбуждении носителей, а также при инжекции неравновесных носителей при прямом смещении на N-р- или р-N гетеропереходах. При оптическом возбуждении, если энергия фотонов удовлетворяет условию где eg1- ширина запрещённой зоны узкозонного, - широкозонного полупроводников, то спектр излучения гетероперехода совпадает со спектром фотолюминесценции узкозонного полупроводника. При спектр состоит из полос люминесценции широкозонной и узкозонной частей. При протекании прямого тока через анизотипный гетеропереход, спектр электролюминесценции зависит от сдвига между переходами по легированию и по химическому составу. При их совпадении в пространстве имеет место односторонняя инжекция неравновесных 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. При смещении в широкозонную часть на расстояние наблюдаются 2 полосы:. и.

12 Фотоэффект в гетеропереходе, как и в р-n-переходе, возникает за счёт пространственного разделения в поле объёмного заряда гетероперехода возбуждённых светом носителей. При освещении поверхности р-N-гетероперехода или n-P-гетероперехода 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 рекомбинационных потерь на поверхности кристалла. Область спектральной чувствительности фотоэффекта определяется формой потенциальных барьеров на границе. В резких гетеропереходах барьеры, возникающие из-за разрывов зон, препятствуют разделению носителей, возбуждаемых светом при его поглощении в узкозонном полупроводнике (рис. 5, б). В плавных гетеропереходах разрывы зон и пики на границах отсутствуют, благодаря чему достигается постоянная спектральная чувствительность в диапазоне :

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

14 ГЕТЕРОСТРУКТУРА

15 ГЕТЕРОСТРУКТУРА - полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами. Возможность изменять на границах гетероперехода ширину запрещённой зоны и диэлектрическую проницаемость позволяет эффективно управлять движением носителей заряда, их рекомбинацей, а также световыми потоками внутри гетероперехода. Рис. 1. Зонные диаграммы гетероструктуры типа N--р-P: а - в равновесии; б - при прямом смещении; - уровень Ферми, квазиуровни Ферми гетеропереходами

16 Электронное ограничение. На рис. 1, а показана зонная диаграмма гетероперехода типа N-р-P. Предполагается, что толщина d узкозонного р-слоя меньше диффузионной длины (L)неравновесных носителей. При прямом смещении (рис. 1, б)барьер в зоне проводимости на изотипном р-P-гетеропереходе ограничивает сквозной диффузионный ток электронов, инжектированных в р-слой, а барьер в валентной зоне на N-р-гетеропереходе - сквозной ток дырок (ограничение сквозного тока имеет место и в гетеропереходах типа N-п-P). В большинстве случаев, когда разрывы в зонах и (T - температуpa кристалла), сквозным диффузионным током в двойном гетеропереходе можно пренебречь и в р-слое имеет место полное ограничение инжектированных носителей, т. е. локализация неравновесных носителей зарядов в узкозонной части гетероперехода, ограниченной более широкозонными полупроводниками. В этом случае плотность j тока прямого смещения определяется только рекомбинацией носителей заряда в узкозонном (активном) слое: где - концентрация неравновесных носителей, инжектированных в активный слой, - их время жизни, е - элементарный заряд. При толстом р-слое. Отсюда следует, что при одинаковой плотности тока в двойном гетеропереходе за счёт электронного ограничения концентрация неравновесных носителей в тонком р-слое в раз больше, чем в толстом.

17 Оптическое ограничение (волноводный эффект). T. к. узкозонный слой имеет обычно больший показатель преломления n1>n2 (рис. 2), то в нём имеет место волноводное распространение света, обусловленное полным внутренним отражением света на границах. Оно отчётливо проявляется, когда (- длина волны света). Волноводный эффект может наблюдаться как при освещении гетероперехода извне, так и для света излучательной рекомбинации внутри узкозонного слоя. Последний случай наиболее важен в большинстве практических применений. Рис. 2. Волноводный эффект в двойной гетероструктуре n1- показатель преломления узкозонного слоя, n2- широкозонных слоев; E2(z) - зависимость интенсивности световой волны от координаты z.

18 Практическое применение. Наиболее важное применение гетеропереходов - т. н. оптоэлектронные приборы (гетеролазеры, гетеросветодиоды). В гетеропереходах, активная область которых представляет собой прямозонный полупроводник типа AIIIBV с ~1 эВ, внутренний квантовый выход излучательной рекомбинации (отношение числа носителей, рекомбинирующих с излучением фотона, к общему числу инжектированных в узкозонный слой носителей) ~100% в широком диапазоне степени легирования и темп-ры (включая 300К). T. о., при рекомбинации неравновесных носителей в активной области гетероперехода энергия внешнего источника практически полностью может быть преобразована в световую энергию. В гетеросветодиодах (источниках спонтанного излучения) излучающая область также прямозонный полупроводник AIIIBV. Вывод излучения обычно осуществляется перпендикулярно плоскости гетероперехода, через верхний широкозонный слой.

19 Гетеропереходы применяются для создания приёмников оптического излучения - фотодиодов, лавинных фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров, преобразователей ИК-излучения в видимое. Наибольшее быстродействие и чувствительность имеют гетеропереходы типа п+ - п°-Р или p+ -p°-N (+ означает сильное легирование, ° - слабое), освещаемые через широкозонную область. Такие приборы обладают быстродействием ~ с и, близкой к 100%. Изменяя состав и, следовательно, компонент, можно в широких пределах изменять диапазон спектральной чувствительности фотоприёмников. Плоскостные ИК-диоды используются в оптронах. ИК-диоды для волоконных линий связи обладают высокой энергетической яркостью, которая достигается как за счёт локализации области протекания тока, так и за счет сужения диаграммы направленности излучения вследствие волноводных эффектов, проявляющихся при выводе излучения через боковые грани кристалла, параллельно плоскости гетероперехода (торцовые диоды). Быстродействие для диодов с сильнолегированными активными областями ~ с.

20 Рис. 3. Зонная структура солнечных гетерофотоэлементов: а - структуоа с промежуточным варизонным слоем; б - структура с промежуточным преобразованием КВ-света в люминесцентное излучение.

21 Ввод и вывод излучения в гетеропереход без поглощения позволили создать эффективные эл.-люминесцентные фототиристоры (усилители света), а также преобразователи ИК-излучения в видимое, ДВ-граница чувствительности которых значительно сдвинута по сравнению с другими электронно- оптическими преобразователями. На основе Г. типа п-р-P созданы солнечные батареи. Область их спектральной чувствительности ~ 0,4-0,9 мкм, что соответствует максимуму спектрального распределения интенсивности солнечного света; кпд ~ 25%, плотность снимаемой мощности ~ 40 Вт/см2. Наибольшими преимуществами по сравнению с другими преобразователями обладают солнечные гетерофотоэлементы при работе с концентрированными потоками солнечной энергии. Гомопереход р-п создаётся в узкозонном полупроводнике (рис. 3); широкозонное "окно", через которое падает излучение, состоит из нескольких слоев полупроводников постоянного (с постоянным ) и переменного (варизонный полупроводник) составов. Для собирания максимального кол-ва фотонов осуществляется преобразование частоты коротковолновой части спектра солнечного света. В 1-м случае (рис. 3, а) часть фотонов поглощается в варизонном полупроводнике и рождённые носители доставляются внутренним "тянущим" полем Ei к р-n-переходу, в цепи которого возникает электричес ток. Во 2-м случае (рис. 3, б) поле Ei доставляет носители в тонкий слой, где они рекомбинируют, а излучённые при этом фотоны поглощаются в области объёмного заряда р-n-перехода.

22 Гетеропереход с прямозонными широкозонными полупроводниками, обладающими малыми временами жизни неравновесных носителей и малыми их диффузионными длинами L, позволили создать быстродействующие диоды, транзисторы и тиристоры, работающие при комнатных температуpax (Т~300К). В выпрямительных полупроводниковых диодах для увеличения пробивных напряжений требуется увеличение толщины слаболегированной области (базы), в которой находится пространственный заряд. Это приводит к возрастанию потерь при протекании тока в прямом направлении из-за роста падения напряжения на базе. В гетеродиодах с плавными гетеропереходами низкое падение напряжения на базе N0 достигается благодаря увеличению L в "тянущем" поле. Увеличение эффективной величины L в базе осуществляется в гетеропереходе за счёт переноса носителей собственным рекомбинационным излучением. В биполярных гетеротранзисторах с широкозонным эмиттером за счёт одностороннего характера инжекции эффективность эмиттерного гетероперехода ~1, независимо от легирования базовой и эмиттерной областей. В гетеротранзисторах базовая область может быть легирована сильнее эмиттерной, что, уменьшая сопротивление базы и ёмкость эмиттерного перехода, повышает быстродействие. Для предотвращения инжекции дырок в коллектор, затягивающей время рассасывания, в импульсных гетеротранзисторах наряду с широкозонным эмиттером используется и широкозонный коллектор. В полевых транзисторах на двойном гетеропереходе с узкозонным каналом за счёт электронного ограничения улучшаются шумовые характеристики, а широкозонный затвор улучшает управление каналом.T. к. тиристор может быть представлен в виде комбинации двух транзисторов с гетеропереходом типа р-п-р и п- р-п, между которыми существует положительная обратная связь по току, то всё сказанное о гетеротранзисторах применимо и к гетеротиристорам. Высокий позволяет управлять напряжением включения путём преобразования электрического сигнала в оптический в самой гетероструктуре и последующего его преобразования в электрический на коллекторном переходе. Это исключает ограничения на время включения, связанное с диффузией и дрейфом носителей заряда, а также с временем распространения включённого состояния.

23 Гетеролазеры и гетерофотоприёмники, используемые в сочетании с плёночными полупроводниковыми волноводами, могут выполняться на основе единой гетероструктуры и на общей полупроводниковой подложке объединяться (интегрироваться) в оптическую схему (методами Планерной технологии). Для управления условиями генерации и распространения света часто используются сложные гетероструктуры, активный слой которых состоит из нескольких слоев постоянного или плавно изменяющегося состава с соответствующим изменением. Помимо локализации света в пределах одного или нескольких слоев в плоскости гетероперехода, при создании интегрально-оптических схем возникает необходимость дополнительной локализации световых потоков в плоскости волноводных слоев (в плоскости ГП). Такие волноводы называются полосковыми и создаются изменением либо состава и свойств полупроводника в плоскости волноводного слоя, либо толщины слоев. "Встраивание" гетеролазера в волноводную схему осуществляется с помощью оптического резонатора, образуемого периодической модуляцией толщины волноводного слоя. При определенном выборе периода модуляции благодаря дифракции в волноводе возникает волна, бегущая в обратном направлении. В результате формируется распределённое отражение света.

24 Материалы и технология. В приборах на основе гетероструктур чаще всего используются полупроводники AIIIBV и AIVBVI. На основе бинарных соединений может быть получен лишь дискретный набор значений Однако практически между всеми бинарными соединениями образуются 3- и 4-компонентные твёрдые растворы, замещения (напр., между GaAs и AlAs образуются ; между, варьирование состава (х, у)которых позволяет плавно изменять (рис. 4). Наиболее широко используются гетероструктуры:, и Твёрдые растворы на основе соединений AIIIBV перекрывают диапазон изменения ~0,2-2,5 эВ. Отсюда спектральный диапазон оптоэлектронных приборов простирается от видимого света (=0,51 мкм) до ИК-излучения (=7,6 мкм).В гетероструктуре на основе 3-компонентных твёрдых растворов условие изопериодичности лучше всего выполняется для твёрдых растворов, где ZV - элемент V группы периодической системы элементов. В 4-компонентных твёрдых растворах при изменении х, у изменяется параметр решётки а. Поэтому условие изопериодичности с подложкой выполняется лишь в ограниченной области х, у. Тем самым спектральный диапазон приборов на гетероструктуре с 4-компонентными твёрдыми растворами уже, чем при полном наборе х и у.

25 Рис. 4. Диаграмма- параметр решетки а для полупроводниковых соединений и твёрдых растворов A III B V.

26 Для получения гетероструктур применяются 3 метода: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ) и молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ). В наиболее широко используемом методе ЖФЭ осаждение эпитаксиального слоя происходит из раствора-расплава, который находится в контакте с поверхностью подложки (для AIIIBV растворитель чаще всего элемент III группы). Метод ХОГФ применяется в основном для выращивания эпитаксиальных гетероструктурах на основе полупроводников AIIIBV. В методе МПЭ эпитаксиальные слои выращиваются осаждением на подложке атомов и молекул, потоки которы формируются в сверхвысоком вакууме.эпитаксия