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:

• Молекулярно-лучевая эпитаксия ,
• Осаждение из газообразной фазы (MOCVD).

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 .

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

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.