Interested Article - Гетероструктура

Гетерострукту́ра — выращенная на подложке структура, состоящая из слоёв различных материалов (полупроводников, диэлектриков), которые различаются шириной запрещённой зоны и/или сродством к электрону .

Между двумя разными материалами формируется гетеропереход , в котором возможна повышенная концентрация носителей , и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа . В отличие от гомоструктур , гетероструктура обладает большой свободой выбора в конструировании нужных профилей зоны проводимости и валентной зоны . Гетероструктуры дают возможность управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.

Для выращивания гетероструктур используют много различных методов, среди которых можно выделить два основных:

Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с высокой точностью (до атомного ). Второй же не имеет высокой точности, но по сравнению с первым методом обладает более высокой производительностью.

За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алфёров ( Россия ) и Герберт Крёмер ( США ) были удостоены Нобелевской премии в 2000 году.

В рамках программы развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей и светодиодов .

История

Впервые на возможность использования свойств контакта двух различных полупроводников для повышения эффективности инжекции в биполярных транзисторах указывал Шокли в 1948 году.

В 1957 году Герберт Кремер в своей работе предположил, что гетеропереходы могут иметь более высокую эффективность инжекции по сравнению с гомопереходами.

Качественная модель формирования энергетической диаграммы гетероперехода была развита Р. Л. Андерсоном в 1960 году, им также был исследован первый эпитаксиальный монокристаллический гетеропереход Ge - GaAs с совпадающими постоянными кристаллической решетки .

Почтовая марка России 2020 года из серии «Лауреаты Нобелевской премии» с портретом Ж. И. Алфёрова и изображением полупроводникового гетеролазера ( ЦФА [ АО «Марка» ] № 2617)

Несколькими годами позже независимо Ж. И. Алферовым и Г. Кремером была сформулирована концепция лазеров на основе двойных гетероструктур (ДГС).

Алферов отмечал возможность достижения высокой плотности инжектированных носителей и инверсной заселенности для получения вынужденного излучения в данных структурах. Он показал, что плотность инжектированных носителей может на несколько порядков превосходить плотность носителей в широкозонном эмиттере (эффект ” суперинжекции ”), а благодаря потенциальным барьерам на границе полупроводников рекомбинация в эмиттере равна нулю.

Наиболее перспективной для получения гетероструктур была система AlAs -GaAs, так как соединения AlAs и GaAs имеют близкие значения постоянных решеток, а GaAs в свою очередь обладает многими необходимыми свойствами, такими как малые эффективные массы носителей, высокая подвижность электронов, большая ширина запрещенной зоны, эффективная излучательная рекомбинация и резкий край оптического поглощения вследствие прямозонной структуры.

Разработка модификации метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), пригодной для роста гетероструктур, привела к созданию первой решеточно-согласованной AlGaAs -гетероструктуры. Были созданы большинство наиболее важных приборов, в которых используются основные преимущества гетероструктур:

низкопороговые ДГС лазеры при комнатной температуре,
высокоэффективные светодиоды на одиночной и двойной гетероструктуре ,
солнечные элементы на гетероструктурах ,
биполярные транзисторы на гетероструктурах ,
тиристорные p−n−p−n-переключатели на гетероструктурах.

Работы Ж. И. Алферова и Г. Кремера в области исследования гетеропереходов были отмечены присуждением им Нобелевской премии по физике в 2000 году.

В настоящее время гетеропереходы находят широкое применение при создании высокочастотных транзисторов и оптоэлектронных приборов. На базе гетероструктур создаются быстродействующие опто- и микроэлектронные устройства: лазерные диоды для систем передачи информации в оптоволоконных сетях; гетероструктурные светодиоды и биполярные транзисторы; малошумящие транзисторы с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), применяющиеся в высокочастотных устройствах, в том числе в системах спутникового телевидения ; солнечные элементы с гетероструктурами, широко использующиеся для космических и земных программ.

См. также

от 22 января 2011 на Wayback Machine

Примечания

W. Patrick McCray , MBE deserves a place in the history books, Nature Nanotechnology 2, 259—261 (2007) doi:10.1038/nnano.2007.121
Shockley, W. "Circuit Element Utilizing Semiconductive Material," U. S. Patent 2,569,347 (Filed June 26, 1948. Issued September 25, 1951)
H. Kroemer . Proc. JRE, 45, 1535 (1957); RCA Rev., 28, 332 (1957)
(неопр.) . Дата обращения: 23 октября 2020. 27 октября 2020 года.
Ж.И. Алферов, Р.Ф. Казаринов. А . c. № 181737, заявка № 950840 с приоритетом от 30 марта 1963
H. Kroemer . Proc. IEEE, 51, 1782 (1963) (Submitted October 14, 1963)
Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.И. Корольков, Е.Л. Портной, А.А. Яковенко . ФТП, 3, 930 (1969)
Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, М.В. Каган, И.И. Протасов, В.Г. Трофим . ФТП, 4, 2378 (1970)
Ж.И. Алферов, Ф.А. Ахмедов, В.И. Корольков, В.Г. Никитин . ФТП, 7, 1159

Литература

Джойс Б. А., Хекингботтом Р., Менх У. и др. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. — Под ред. Л. Ченга, К. Плога. Пер. с англ. под ред. Ж. И. Алферова, Ю. В. Шмарцева. — Москва: Мир, 1989. — 582 с. — ISBN 5-03-000737-7 .
Алферов Ж.И. // ФТП. — 1998. — Т. 32 , № 1 . — С. 3 . — ISSN . 2 декабря 2020 года.
. — Физматлит Москва, 2008. — 488 с. — ISBN 978-5-9221-0995-6.