Гетеропереходы
Гетеропереходы, представляющие контакт двух разнородных полупроводников с различной шириной запрещенной зоны и различной степенью легирования, получили широкое практическое применение в излучающих и фотоэлектрических приборах (светодиоды, лазеры, фотодиоды и др.). Использование гетеропереходов в полевых и биполярных транзисторах позволяет значительно увеличить их рабочие частоты, что важно в сверхвысокочастотных (СВЧ) аналоговых и сверхскоростных цифровых ИС.
Для получения гетеропереходов обычно используется метод жидкостной
эпитаксии, позволяющий изготовить не только двухслойные
но и многослойные (четырех- и пятислойные) гетероструктуры.
При этом полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры с
практически равными параметрами кристаллической решетки. Большая заслуга в получении
полупроводниковых гетеропереходов и исследованиях их свойств
принадлежит лауреату Нобелевской премии по физике (
Наиболее освоенными являются гетеропереходы между твердыми растворами
полупроводниковых соединений A3B5: AlxGa1-xAs-GaAs, GaAsxP1-x-GaAs, GaAsxP1-x-GaP, GaxIn 1-x As-InP и др. (здесь
х=0,2…0,3 – атомное содержание одного из компонентов твердого раствора). При
этом толщина эпитаксиальной пленки твердого раствора достигает 0,1…20 мкм, толщина несущей подложки
соединения A3B5 – до
Отличия свойств гетеропереходов от переходов в монокристаллах (гомопереходов) вытекают из энергетических зонных диаграмм. На рис. 4.9, б показана энергетическая зонная диаграмма N-p гетероперехода, у которого ширина запрещенной зоны N-полупроводника, Δφg1 , больше, чем у p- полупроводника, Δφg2 (символ N указывает на бóльшую ширину запрещенной зоны n-области)
В качестве исходных на рис. 4.9, а показаны энергетические диаграммы полупроводников – широкозонного (N-типа) и узкозонного (p-типа) до контактирования.
Важным параметром, характеризующим пару полупроводников, является разность энергий Δφс дна зоны проводимости:
Δφс= φс1 - φс2. (4.20а)
Разность энергий потолка валентной зоны выражается через Δφv:
Δφv= Δφg1 - Δφg2 - Δφс. (4.20б)
Из рис. 4.9, б следует, что на металлургической границе N-p гетероперехода образуются разрывы границ зон, равные Δφс и Δφv. Изгибы границ зон вблизи N-p контакта связаны с образованием обедненных слоев толщиной ln и lp, содержащих объемные заряды ионов доноров и акцепторов. Значение изгиба краев зон φ01 и φ02 равно внутренней разности потенциалов, образующихся в обедненных слоях.
Назовем полной контактной разностью потенциалов φк несмещенного n-p гетероперехода величину
φк =φ01 + φ02= φFn1 - φFp2, (4.21)
где φFn1 и φFp2 – энергии уровней Ферми в N- и p – полупроводниках до контактирования.
Однако, для гетероперехода значение φк не совпадает с высотой потенциального барьера. Как следует из рис. 4.9, б, высота потенциального барьера для электронов, движущихся из N- в p-область, будет равна
φкn =φк - Δφс. (4.22а)
Высота потенциального барьера для дырок, движущихся из N- в p-область, равна
φкp =φк + Δφv. (4.22б)
Таким образом, для электронов барьер ниже, чем для дырок, на величину
φкp - φкn = Δφg1 - Δφg2. (4.23)
Поэтому, при приложении к N-p гетеропереходу прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов, даже если p-область имеет одинаковую (а иногда и большую) концентрацию примесей, что и N-область. Таким образом, можно получить коэффициент инжекции тока эмиттера, близкий к единице (то есть, одностороннюю инжекцию). Этим гетеропереход принципиально отличается от гомоперехода.
В качестве примера рассмотрим гетеропереход между Al0,3Ga0,7As n-типа
проводимости и GaAs p-типа: N-Al0,3Ga0,7As – p-GaAs. Твердый раствор N-Al0,3Ga0,7As, легированного
теллуром, представляет собой тонкую эпитаксиальную пленку, выращенную методом
жидкофазной эпитаксии на подложке p-GaAs,
легированного цинком. Ширина запрещенной зоны твердого раствора Al0,3Ga0,7As, ΔWg1=1,8 эВ, концентрация доноров
Nd=1022 м-3,
плотность состояний вблизи дна зоны проводимости, Nс=4,7·1023
м-3. Параметры подложки p-GaAs:
ΔWg2=1,42 эВ, концентрация акцепторов Na=1023
м-3, плотность состояний вблизи потолка валентной зоны, Nv=7·1023 м-3.
Экспериментальные
исследования и расчеты показывают, что в этом случае параметры зонной диаграммы
рис. 4.10, б следующие: φк=1,65 В; φкn
=1,27 В; φкp
=1,65 В; Δφс=0,38 В; Δφv= 0 В. Ширину обедненного
слоя можно рассчитать по формуле, аналогичной (4.5).
Рассмотрим теперь гетеропереходы между полупроводниками одного типа проводимости. На рис. 4.10, а показана энергетическая диаграмма для полупроводников p-типа, где Δφg1> Δφg2 и Na1>> Na2. Высота потенциального барьера для электронов, переходящих из области p2 в область будет равна
= jк +Δφс. (4.24а)
Применение гетероперехода позволяет значительно повысить потенциальный барьер для неосновных носителей, переходящих в область p2, причем он может существовать даже при Na1£ Na2. Это используется на практике для ограничения области накопления неосновных носителей тока.
Например, для системы P-Al0,3Ga0,7As – p-GaAs при Na1=1023 м-3, Na2=1022 м-3 имеем jкn=0,42 В, тогда как для гомоперехода контактная разность потенциалов равна =0,06 В.
Аналогичная ситуация наблюдается и для N+-n гетеропереходов (рис. 4.10, б). В данном случае высота потенциального барьера для дырок, переходящих из области n2 в область будет равна
=jк+ Δφv. (4.24б)
Большая высота барьера гетеропереходов P+-p, N+-n – типа позволяет улучшить параметры излучающих оптоэлектронных приборов. Свойство односторонней инжекции в p-n гетеропереходах с сильнолегированной базой может быть использовано в биполярных транзисторах. Гетеропереходы между полупроводниками одного типа проводимости применяются для создания полевых СВЧ транзисторов и сверхскоростных цифровых ИС.