logo

Главная Физика полупроводников Гетеропереход Материалы для создания гетеропереходов

Материалы для создания гетеропереходов

Печать
Схемотехника

К полупроводниковым относят материалы, у которых ширина запрещенной зоны (энергия, необходимая для перехода электрона из зоны валентности в зону проводимости) характеризуется значениями от 0 до 6 эВ. При создании гетерострутктур может использоваться два, три и более полупроводника, которые компонуются определенным образом.

При классификации полупроводниковых материалов иногда особо выделяют узкозонные полупроводники (ширина запрещенной зоны менее 0,3 эВ) и широкозонные полупроводники (ширина запрещенной зоны более 2 эВ). На заре полупроводниковой электроники конструкторы больше отдавали предпочтение материалам с относительно узкой шириной запрещенной зоны (Ge, Si), но позднее получили широкое распространение и другие материалы. Например, полупроводниковые приборы на основе гетеропереходов AlGaN\(/\)GaN используются для создания мощных транзисторов СВЧ-диапазона с поистине уникальными характеристиками.

Большое влияние на свойства получаемого гетероперехода — особенно при создании приборов СВЧ-диапазона, в импульсной и цифровой схемотехнике — имеет такой параметр полупроводниковых материалов как подвижность носителей зарядов. Подвижность (или коэффициент подвижности носителей зарядов) отражает среднюю скорость дрейфа носителей зарядов в поле единичной напряженности. Однако, не менее важно и то, что будет происходить по мере повышения напряженности электрического поля в полупроводнике. Скорость дрейфа носителей в полупроводниках с ростом напряженности электрического поля возрастает не беспредельно. За счет падения подвижности носителей при некотором значении напряженности электрического поля наступает насыщение скорости дрейфа носителей. Так, например, для германия (Ge) при комнатной температуре максимальная (или насыщенная) скорость дрейфа электронов составляет \(v_{d\;{max}} \approx 0,6{\cdot}10^7 \text{см/сек}\), а насыщение скорости дрейфа происходит при напряженности поля \(\sim 10^4 \text{В/см}\) (на практике эта величина достигается во многих реальных приборах с достаточно широкими переходами).

В сильных электрических полях скорость дрейфа носителей заряда соизмерима с тепловой скоростью — носители заряда на длине свободного пробега приобретают в электрическом поле энергии, соответствующие кинетическим энергиям теплового хаотического движения. При этом распределение носителей заряда по энергетическим уровням соответствует бóльшим температурам, чем температура кристаллической решетки, которая остается практически неизменной. Это явление называют иногда разогревом носителей. На подвижность носителей явление разогрева может влиять по-разному, но максимальная полезная мощность растет с увеличением ширины запрещенной зоны и скорости дрейфа носителей. Так что чем выше пиковая скорость дрейфа носителей зарядов в каком-либо полупроводнике, и чем больше ширина запрещенной зоны в нем, тем более мощные сигналы гипотетически можно обрабатывать с помощью соответствующих полупроводниковых приборов, сделанных на его основе.

Используя для создания гетеропереходов материалы с высокой подвижностью электронов (например, InGaAs\(/\)lnAIAs), удается создавать приборы, которые вплотную приближаются и уже переступают знаковый рубеж 1 ТГц.

Таблица 1. Свойства полупроводниковых материалов при \(T\) = 300 K

Полу-провод-ник Ширина запрещенной зоны, эВ Постоянная решетки, \(\unicode{x212B}\) Подвижность электронов, см2/В∙см Подвижность дырок, см2/В∙см Максимальная скорость дрейфа электронов (\(v_{d\;{max}}\)), см/сек
InSb0,176,4877000850> 5∙107
PbTe0,326,461600600-
InAs0,356,06400005003,5∙107
PbS0,415,94600600-
Ge0,665,65390019000,6∙107
α-InN0,69a = 3,55
c = 5,7
32002204,1∙107
β-InN0,64,98---
GaSb0,736,1300010002,5∙107
Si1,125,4314004501,0∙107
InP1,345,8754002002,7∙107
GaAs1,425,6585004001,9∙107
AlSb1,636,14200330-
zb-CdSe1,76,0580010-
Se1,74a = 4,36
c = 4,96
---
AlAs2,155,66200100-
GaP2,275,45250150-
β-CdS2,425,8220040-
zb-ZnSe2,75,66540283,6∙107
α-SiC2,85a = 3,07
c = 10,05
600402,1∙107
β-SiC2,394,36100040-
zb-ZnO3,24,6130--
α-GaN3,46a = 3,19
c = 5,19
1000302,8∙107
β-GaN3,34,5212002002,9∙107
zb-ZnS3,65,4116540-
С (алмаз)5,473,5722001600-

От чего зависят характеристики гетероперехода?

Ширина запрещенной зоны используемых материалов отнюдь не является единственным параметром, который определяет свойства гетероперехода. Значение имеет множество факторов. В целом можно утверждать, что все физические свойства используемых полупроводников оставляют свой след, оказывая влияние на характеристики гетероперехода. Важнейшие из них:

  • Тип кристаллической решетки — если для создания гетероперехода используются материалы с разными типами и/или размерами кристаллических решеток, то технологически бывает очень сложно (или в принципе невозможно) создать переход со стабильными и предсказуемыми характеристиками. На границе перехода (если переход достаточно резкий), в силу наличия неоднородностей в кристаллических решетках, будут наблюдаться так называемые граничные состояния, которые могут радикальным образом менять поведение носителей зарядов при преодолении такой неоднородной границы.
  • Расстояние между узлами кристаллической решетки — даже при использовании материалов с одинаковыми типами кристаллических структур их совместимость определяется тем, насколько близки друг к другу периоды кристаллических решеток этих материалов (постоянная решетки — lattice constant), а также степень их эластичности (elasticity) при несовпадении (в определенных пределах возможно "сжатие" или "растяжение" кристаллических решеток в процессе "подгонки").
  • Температурная зависимость параметров кристаллической структуры — разогрев или охлаждение перехода приводят к изменению расстояния между узлами кристаллической решетки. В общем случае у разных материалов такие изменения (температурный коэффициент расширения — coefficient of thermal expansion) различны, что может служить источником накопления дефектов на границе двух материалов. Более того, при определенных условиях может происходить даже фазовый переход, связанный с изменением типа кристаллической решетки используемого полупроводникового материала.
  • Энергетические параметры (характер проводимости, сродство к электрону, точная структура энергетических зон и разрешенные переходы между ними, эффективные массы носителей зарядов и др.) — описываются зонной теорией и влияют на фундаментальные свойства гетероперехода, образованного полупроводниками с разным уровнем и структурой зоны валентности и зоны проводимости. При этом принято различать полупроводники с прямыми и непрямыми переходами, имеющими место в рамках одной — прямозонные — или нескольких — непрямозонные — долин их зонной структуры.
  • Электрические параметры (подвижность носителей зарядов, скорость дрейфа, скорость инжекции и др.) — отражают характер поведения носителей зарядов в полупроводниках при приложении различных постоянных/переменных напряжений и, как правило, определяют частотные свойства гетероперехода, а также его динамические характеристики, связанные с явлениями пробоя.

Таким образом, при создании электронных приборов на основе гетеропереходов в первую очередь добиваются того, чтобы чтобы в кристаллической решетке из двух материалов, составляющих гетеропереход, не было дефектов. Необходимо, как минимум, чтобы два материала имели идентичную кристаллическую структуру и близкие периоды решеток. В этом случае структура получается без напряжений. Дополнительным ограничением выступает необходимость согласования коэффициентов термического расширения используемых материалов с тем, чтобы обеспечить стабильность кристаллической структуры гетероперехода в требуемом рабочем диапазоне температур. Ясно, что при таких ограничениях не любые материалы могут быть использованы для создания гетероперехода — необходимо подбирать подходящие пары.

Твердые растворы и их свойства

В реальности практически невозможно подобрать пару чистых полупроводников, у которых было бы идеальное согласование их кристаллических структур и коэффициентов термического расширения. Поэтому на границе гетероперехода обычно возникают механические напряжения, вызывающие появление различных неоднородностей, создающих так называемые граничные состояния (нарушения зонной структуры). Даже у такой хорошо согласующейся пары как германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs) присутствует пластическая деформация.

Выход был найден тогда, когда для формирования гетероструктур начали использоваться так называемые твердые растворы, которые создаются из нескольких компонентов с изоморфными (идентичными) кристаллическими структрами. Твердый раствор представляет собой такой же кристал, структура которого идентична структуре исходных компонентов, но в нем атомы одного элемента с определенной периодичностью (определяемой массовой долей компонентов) замещаются на атомы другого элемента. Из-за различий в физических и энергетических свойствах атомов разных веществ, также изменяется расстояние между узлами кристаллической решетки в получившемся растворе. Меняя массовую долю составляющих раствор компонентов, можно подбирать такие концентрации, у которых постоянная решетки будет в точности соотвествовать требуемому значению. Например, в случае гетероперехода Ge\(/\)GaAs замена Ge на твердый раствор Ge0,98Si0,02 приводит к снижению напряжений на границе раздела до уровня, исключающего возможность пластической деформации GaAs, и улучшает характеристики гетероперехода — у него резко уменьшается обратный ток.

Использование твердых растворов стало основой для создания электронных приборов самого разного назначения. Твердые растовры обладают гибкостью не только в части физических размеров кристаллической решетки — с изменением массовой доли составляющих компонентов могут изменяться и любые другие параметры полупроводника — структура энергетических зон, температурные коэффициенты, подвижность и другие свойства носителей зарядов. Исторически исследование свойств твердых растворов начиналось с двухкомпонентных структур, но сейчас в практической электронике находят применение трех, четырех, пяти и более компонентные растворы.

Группы и системы полупроводниковых материалов

По химической природе современные полупроводниковые материалы принято разделять на группы. При этом сложные соединения объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A — первый элемент, B — второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфида индия (InP) имеет обозначение AIIIBV. Наибольшее распространение в полупроводниковой электронике получили материалы следующих групп:

  1. Простые полупроводники — кристаллические полупроводниковые материалы, состоящие из атомов или молекул одного химического элемента. Такими материалами являются, например, германий (Ge), кремний (Si), селен (Se), теллур (Te), углерод (C) и др.
  2. Группа AIVBIV — представляет собой простейший пример составных полупроводников, в которых соединяются атомы различных элементов четвертой группы системы элементов Менделеева. Наиболее известными из таких материалов являются карбид кремния (SiC) и кремний-германий (SiGe).
  3. Группа AIIBV — включает материалы на основе соединений атомов второй и пятой групп системы элементов Менделеева. Примерами таких материалов являются антимонид цинка (ZnSb) и антимонид кадмия (CdSb).
  4. Группа AIIBVI — включает материалы на основе соединений атомов второй и шестой групп системы элементов Менделеева. К ним относятся оксиды (ZnO, CdO, MgO), селениды (ZnSe, CdSe, MgSe, HgSe, BeSe), теллуриды (ZnTe, CdTe, HgTe, MgTe) цинка, кадмия, магния, ртути и др.
  5. Группа AIIIBV — включает материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева. Примерами таких материалов являются антимониды (InSb, GaSb, AlSb), фосфиды (InP, GaP, AlP), нитриды (InN, GaN, AlN) и арсениды (InAs, GaAs, AlAs) индия, галлия и алюминия.
  6. Группа AIVBVI — включает материалы на основе соединений атомов четвертой и шестой групп системы элементов Менделеева. Например, к ним относятся сульфиды (PbS, SnS, GeS), селениды (GeSe, SnSe, PbSe), теллуриды (PbTe, SnTe) германия, свинца, олова и др.

Очень часто материалы одной группы обладают рядом схожих характеристик. Обычно это может быть идентичная кристаллическая структура и способность формирования твердых растворов при смешивании этих материалов. Таким образом, и создание разнообразных электронных приборов с гетеропереходами, как правило, связано с использованием материалов из определенной группы, выбор которой во многом определяет характеристики и применимость прибора. В таком случае часто можно встретить упоминание о системах материалов, которые используются для создания тех или иных полупроводниковых приборов.

Например, множество соединений группы AIIIBV встречается в виде кристаллов со структурой цинковой обманки (zinc blende) и могут образовывать твердые растворы вида AIIIxBIII1-xCV или AIIIBVxCV1-x и сложнее. В данном контексте принято говорить о системах материалов InAs/GaAs, InP/GaP, InP/InAs/InSb, подразумевая под этим все возможные комбинации данных компонентов в виде твердых растворов, сохраняющих исходную кристаллическую структуру типа цинковой обманки.

Принципы выбора материалов для создания гетеропереходов

Даже в рамках одной системы из трех-четырех близких по структуре полупроводниковых материалов (например, InP\(/\)InAs\(/\)GaP\(/\)GaAs) невозможно создавать гетеропереходы со стабильными и предсказуемыми свойствами наобум, без учета их совместимости друг с другом. Для понимания имеющихся возможностей принято использовать гарафики зависимости ширины запрещенной зоны материала и постоянной его кристаллической решетки, как это показано на рис. 1.

График зависимости энергии запрещенной зоны от постоянной решетки для полупроводников InP, InAs, GaP, GaAs

Рис. 1. График зависимости энергии запрещенной зоны от постоянной решетки для полупроводников InP, InAs, GaP, GaAs со структурой цинковой обманки. Полупроводники, соединенные сплошными линиями, образуют между собой стабильные твердые растворы. Прерывистые (штриховые) линии означают, что переход через запрещенную зону непрямой.

Исторически изучение гетеропереходов во многом происходило в контексте поиска материалов для создания инжекционных полупроводниковых лазеров, светодиодов и других оптоэлектронных компонентов. В таких приборах спектр излучения или поглощения определяется как раз шириной запрещенной зоны полупроводника. Например, на основе фосфида галлия-индия (In1-xGaxP) создаются лазерные диоды красного цвета свечения, используемые в популярных лазерных указках. На рис. 1 спектральная шкала иллюстрирует, какой цвет излучения соответствует ширине запрещенной зоны выбранного полупроводникового материала.

На этом же рисунке, линии, соединяющие различные полупроводниковые материалы означают, что из данных материалов можно формировать твердые растворы. Получаемый таким образом материал в зависимости от выбранной концентрации составляющих его компонентов будет располагаться на графике именно на этой линии. Отметив постоянную решетки можно видеть, какие еще существуют материалы с аналогичным показателем. Именно такие материалы, как правило, можно использовать совместно для создания гетеропереходов без напряжения кристаллической структуры. Например, арсенид галлия (GaAs) будет сочетаться с фосфидом галлия-индия (In0,49Ga0,51P), а фосфид индия (InP) — с арсенидом галлия-индия (In0,53Ga047As).

Все возможное многообразие твердых растворов, которые формируются при смешении арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) в рассматриваемой системе материалов представлено четырехкомпонентным раствором GaxIn1-xAsyPy1-y. Соответственно, на рассматриваемом рисунке получаемый материал будет всегда располагаться внутри фигуры образованной линиями, соединяющими InP, InAs, GaP, GaAs.

Для полноты картины на рис. 2 представлено сразу множество систем популярных и перспективных полупроводниковых материалов, находящих применение в современной электронике. Приглядевшись, можно заметить, что одни и те же химические соединения могут существовать в разных кристаллических структурах (GaN, AlN и др.). Кроме того, в ряде редких случаев возможно существование твердых растворов, для материалов из разных групп и даже с разными кристаллическими структурами (Cd1-xPbxTe) — в таких растворах с изменение концентрации составляющих его материалов наблюдается фазовый переход из одной структуры в другую.

Системы полупроводниковых материалов

Рис. 2. Системы полупроводниковых материалов.

Метаморфные и псевдоморфные гетеропереходы

Возможный способ адаптации полупроводниковых структур с разными параметрами кристаллической решетки состоит в том, чтобы создать условия, в которых кристаллическая решетка одного из компонентов гетероструктуры сожмется или растянется до необходимой величины. Для этого слой одного из материалов делается очень тонким — настолько, что его кристаллическая решётка изменяется и приходит в соответствие другому материалу. Гетеропереход, в котором правило соответствия параметров кристаллической решётки слоёв гетероперехода не соблюдается, называется псевдоморфным гетеропереходом. C использованием псевдоморфных переходов можно изготавливать гетероструктуры с увеличенной разницей в ширине запрещенной зоны, что недостижимо другими путями.

На практике именно псевдоморфные технологии совмещения полупроводниковых материалов получили очень широкое распространение. Дополнительным фактором тут является то, что некоторые полупроводники в «напряженном» состоянии демонстрируют лучшие показатели подвижности носителей зарядов и другие параметры, позволяющие создавать более эффективные электронные приборы. Примером может служить технология напряженного кремния (strained silicon) на подложках из кремния-германия (Si1-xGex).

Еще один способ совмещения материалов с разными решётками — помещение между ними буферного слоя. Материал буферного слоя подбирается таким образом, чтобы его решетка могла быть согласована как с одним, так и с другим материалами гетероперехода. Такие структуры принято называть метаморфными гетеропереходами. Например, метаморфный гетеропереход между арсенидом галлия (GaAs) и арсенидом галлия-индия (InGaAs) можно сформировать путем добавления буферного слоя арсенида аллюминия-индия (AlInAs).

 

 

 

Конструирование схем




Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники