Типы гетеропереходов

Следует заметить, что при использовании разных полупроводниковых материалов показанные выше «разрывы» зон могут быть как положительными так и отрицательными. В зависимости от их взаимного расположения различают следующие разновидности гетеропереходов:

• Наиболее известен случай, когда края зон полупроводника с более широкой запрещенной зоной «охватывают» края зон полупроводника c узкой зона. При этом полупроводник с узкой зоной на зонной диаграмме оказывается как-бы «вставленным» в широкую зону первого полупроводника, и скачки потенциала на гетерогранице для зоны проводимости и валентной зоны имеют противоположные знаки. Такой случай реализуется, например, в гетеропереходах GaAs\(/\)AlGaAs, GaInAs\(/\)InP, GaInP\(/\)GaAs, AlSb\(/\)GaSb. В литературе данный тип гетероперехода называют охватывающим гетеропереходом или гетеропереходом I типа, а также стандартным.
• Для некоторых пар полупроводников и зона проводимости, и валентная зона на гетерогранице могут быть сдвинуты по энергии в одном направлении. При этом реализуется такая зонная структура, в которой дно зоны проводимости одного полупроводника расположено с одной стороны от границы раздела перехода, а потолок валентной зоны другого полупроводника — с другой. Сама гетероструктура образует «ступеньку». и в случае, когда один из разрывов зон положителен, а другой отрицателен, говорят о ступенчатом гетеропереходе или гетеропереходе II типа. Данный случай реализуется, например, в гетеропереходе \(n-\)Ge\(/\)\(p-\)GaAs, представленном на рисунке, а также в гетеропереходах AlInAs\(/\)InP, InAsSb\(/\)InAs, AlGaSb\(/\)InAs, InAsSb\(/\)GaSb, InGaAs\(/\)GaAsSb, GalnAsSb\(/\)GaSb, GalnAsSb\(/\)InAs.
• Для гетеропереходов II типа возможен вариант, когда запрещенные зоны вообще не перекрываются по энергии. Если ступенчатое расположение зон довести до разрыва в запрещенной зоне, тогда дно зоны проводимости одного полупроводника будет расположено по энергии ниже потолка валентной зоны другого. Такой гетеропереход называется разрывным гетеропереходом II типа. Классический пример — гетеропереход InAs\(/\)GaSb. Многие авторы относят разрывные гетеропереходы к гетеропереходам III типа, что неверно (хотя от частоты употребления и неверная трактовка вполне себе прижилась).
• Cуществуют вещества, такие как теллурид ртути (HgTe), обладающие свойствами так называемых топологических изоляторов. Данное свойство имеет квантовую природу и обусловлено несимметричностью кристаллической решетки вещества. На поверхности топологического изолятора в его зонной структуре возникают аномалии, которые формируют так называемую инвертированную зонную структуру, для которой характерно то, что верхняя граница валентной зоны оказывается по уровню энергии выше нижней границы зоны проводимости. Это становится возможным с учетом того, что спин электрона становится связанным с его импульсом, т.е. и зонная структура выглядит по-разному для движущихся и неподвижных носителей заряда. Важным условием для формирования слоя с инвертированной зонной структурой является очень малая толщина кристалла (в глубине кристалла свойства топологического изолятора не проявляются). Гетеропереходы, образованные обычным полупроводником и материалом с инвертированной зонной структурой, относятся к гетеропереходам III типа. Пример — гетеропереход CdTe\(/\)HgTe (на практике используются многослойные структуры, в которых тонкий слой HgTe встраивают между другими полупроводниками, например CdTe\(/\)HgTe\(/\)CdTe).

Рис. 2. Примеры зонных диаграмм для гетеропереоходов разных типов.

Разные типы гетероструктур могут проявлять различные свойства. Так, например, в оптоэлектронике различают пространственно прямые и непрямые оптические переходы (рекомбинация электрона и дырки с излучением кванта света). В гетеропереходах I типа заполненные состояния в зоне проводимости находятся с той же стороны от гетерограницы, что и заполненные состояния в валентной зоне. В этом случае оба типа носителей заряда находятся и излучательно рекомбинируют в одном и том же материале (пространственно прямой оптический переход).

Особенностью гетероперехода II типа является то, что электроны и дырки локализуются по разные стороны границы раздела. Несмотря на это, волновые функции электронов и дырок перекрываются на гетерогранице за счет туннельного проникновения, и становится возможной излучательная рекомбинация (пространственно непрямой оптический переход). Важным практическим следствием здесь является тот факт, что энергия излучаемого кванта света (и определяемая ей длина волны излучения) не равна разнице между энергетическими уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и может быть меньше ширины запрещенной зоны используемого полупроводника.