Физические процессы в гетеропереходе

На границе гетероперехода происходит изменение многих свойств полупроводникового материала — структуры энергетических зон, ширины запрещённой зоны, эффективных масс носителей заряда, их подвижности и т. д. Детальный характер таких изменений определяется тем, какие материалы выбраны для создания гетероперехода, а также самой его конструкцией и технологией изготовления (широкий/узкий, плавный/резкий, характером и количеством дефектов и т.п.). Для общего анализа процессов в гетеропереходе важно учитывать не только состав и концентрацию примесей в полупроводниках (\(p\)-, \(n\)-, \(i\)-, \(p^+\)-, \(n^+\)-типы), но и различия в энергетических зонах, которые возникают из-за разного химического состава используемых материалов.

Одним из важнейших параметров любого полупроводника, определяющим его поведение при приложении внешних воздействий различного типа, является ширина запрещенной зоны (энергия, необходимая электрону, для перехода из зоны валентности в зону проводимости). Имея в своем распоряжении материалы с различными значениями ширины запрещенной зоны, можно формировать гетеропереходы с существенно различающимися свойствами. В общем случае это позволяет создавать как выпрямляющие переходы на структурах с одинаковым типом проводимости (\(n\)-\(n^+\), \(p\)-\(p^+\)), так и омические (невыпрямляющие) анизотипные \(p\)-\(n\)-переходы.

Для примера рассмотрим гетеропереход, образованный при использовании двух полупроводников с разными типами проводимости и разной шириной запрещенной зоны — германий \(p\)-типа (\(p\)-Ge) и арсенид галлия \(n\)-типа (\(n\)-GaAs). Эти материалы имеют ширину запрещенной зоны 0,66 эВ (германий) и 1,42 эВ (арсенид галлия), они образуют анизотипный выпрямляющий гетеропереход (Рис. 1).

Рис. 1. Гетеропереход \(p\)-Ge\(/\)\(n\)-GaAs в состоянии равновесия.

В обычном состоянии из-за разной термодинамической работы выхода отличается и потенциальная энергия электронов в разных полупроводниках. Однако, в месте контакта этих полупроводников, как и в случае обычного p-n-перехода, электроны начнут перетекать из полупроводника с меньшей работой выхода в полупроводник с большей (из германия в арсенид галлия, в приведенном примере). Это будет происходить до тех пор, пока диффузионный ток не будет скомпенсирован дрейфовым током носителей заряда под воздействием поля, создаваемого избыточными носителями. При этом возникнет контактная разность потенциалов и образуется область пространственного заряда.

Для лучшего понимания указанных процессов удобнее всего использовать так называемые зонные диаграммы, на которых изображаются энергетические уровни для зоны проводимости и валентной зоны материалов, составляющих гетеропереход. Конечно, точный вид такой диаграммы зависит от многих факторов и для реальных гетероструктур может сильно отличаться от идеализированной картины — значение имеет глубина взаимной диффузии полупроводников (резкозть гетерограницы), наличие разнообразных дефектов и поверхностных состояний, форма и размер контакта и др.

Тем не менее, из представленной на рисунке зонной диаграммы можно выявить некоторые принципиальные особенности рассматриваемого гетероперехода \(p\)-Ge\(/\)\(n\)-GaAs:

• Из-за различий в контактирующих полупроводниках, дно зоны проводимости первого полупроводника выходит на плоскость контакта в точке, не совпадающей в общем случае с точкой выхода на эту плоскость дна зоны проводимости второго полупроводника — формируется разрыв зоны проводимости (\({\Delta}E_С\)). Аналогичным образом формируется и разрыв валентной зоны (\({\Delta}E_V\)).
• На зонной диаграмме гетероперехода можно наблюдать, что при сращивании дна зоны проводимости \(E_C\) на металлургической границе перехода образуется своеобразный «пичок», величина которого \({\Delta}E_С\) равна:

  \({\Delta}E_С=\large{\chi}_{\normalsize{Ge}}-\large{\chi}_{\normalsize{GaAs}}\),

  где: \(\large{\chi}_{\normalsize{Ge}}\), \(\large{\chi}_{\normalsize{GAs}}\) — электронное сродство германия и арсенида галлия соответственно.

  
  А при сшивании вершины валентной зоны \(E_V\) в области металлургического перехода имеет место «разрыв» \(ΔE_V\). Величина этого "разрыва" равна:

  \({\Delta}E_V=-\large{\chi}_{\normalsize{Ge}}-E_{g1 (Ge)}+\large{\chi}_{\normalsize{GaAs}}\normalsize-E_{g2 (GaAs)}=\)

  \(=-{\Delta}E_С+(E_{g2 (GaAs)}-E_{g1 (Ge)})\),

  где: \(E_{g1 (Ge)}\), \(E_{g2 (GaAs)}\) — ширина запрещенной зоны для германия и арсенида галлия соответственно.

  
  Проводя анализ конкретного перехода \(p\)-Ge\(/\)\(n\)-GaAs, важно, тем не менее, отметить тот факт, что аналогичные «пички» и «разрывы» энергетических уровней \(E_V\), \(E_C\) в области металлургического перехода могут наблюдаться при самых разных комбинациях материалов гетероперехода.

  В области «пичка» (как это показано на зонной диаграмме) для электронов или дырок фактически реализуется потенциальная яма. Расчеты электрического поля в этой области показывают, что его значение может достигать величины \(E \sim 10^6 {В/см}\). По этой причине электронный газ локализуется в узкой пространственной области вблизи металлургической границы гетероперехода. Для описания данного явления используют понятие двумерного электронного газа (two-dimensional electron gas — 2DEG).

  Физические свойства двумерного электронного газа существенно отличаются от свойств трехмерного электронного газа. Для двумерного электронного газа меняется плотность квантовых состояний в разрешенных зонах, спектр акустических и оптических фононов, а следовательно кинетические явления в двумерных системах (подвижность носителей, магнитосопротивление и эффект Холла).