Что такое полупроводниковые гетероструктуры
Перейти к содержимому

Что такое полупроводниковые гетероструктуры

  • автор:

Что такое полупроводниковые гетероструктуры

гетероструктура, полупроводниковая (англ. semiconductor heterostructure) — искусственная структура, изготовленная из двух или более различных полупроводниковых веществ (материалов), в которой важная роль принадлежит переходному слою, т. е. границе раздела двух веществ (материалов).

Описание

В состав полупроводниковых гетероструктур входят элементы II–VI групп (Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te), соединения A III B V и их твердые растворы, а также соединения A II B VI . Из соединений типа A III B V наиболее часто используются GaAs и GaN, из твердых растворов — AlxGa1xAs. Использование твердых растворов позволяет создавать гетероструктуры с непрерывным, а не скачкообразным изменением состава и, соответственно, непрерывным изменением ширины запрещенной зоны.

Для изготовления гетероструктур важно согласование (близость по величине) параметров кристаллической решетки двух контактирующих соединений (веществ). Если два слоя соединений с сильно различающимися постоянными решетки выращиваются один на другом, то при увеличении их толщины на границе раздела появляются большие деформации и возникают дислокации несоответствия. В связи с этим для изготовления гетероструктур часто используют твердые растворы системы AlAs–GaAs, так как арсениды алюминия и галлия имеют почти одинаковые параметры решетки. В этом случае монокристаллы GaAs являются идеальной подложкой для роста гетероструктур. Другой естественной подложкой является InP, который применяется в комбинации с твердыми растворами GaAs–InAs, AlAs–AlSb и др.

Прорыв в создании тонкослойных гетероструктур произошел с появлением технологии роста тонких слоев методами молекулярно-лучевой эпитаксии, химического осаждения из паров металлоорганических соединений и жидкофазной эпитаксии. Появилась возможность выращивать гетероструктуры с очень резкими границами раздела, расположенными настолько близко друг к другу, что в промежутке между ними определяющую роль играют размерные квантовые эффекты. Области подобного типа называют квантовыми ямами, реже — квантовыми стенками. В квантовых ямах средний узкозонный слой имеет толщину несколько десятков нанометров, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффекта размерного квантования. Гетероструктуры, в особенности двойные, позволяют управлять такими фундаментальными параметрами полупроводников, как ширина запрещенной зоны, эффективная масса и подвижность носителей заряда, электронный энергетический спектр.

Автор
  • Гусев Александр Иванович
Источники
  1. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепции и применения в физике, электронике и технологии // УФН. 2002. Т. 172, №9. С. 1072–1086.
  2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2007. — 416 с.

Связанные термины

  • Алферов, Жорес Иванович
  • барьер Шоттки
  • гетероэпитаксия
  • граница раздела
  • квантовая проволока
  • квантовая яма
  • Келдыш, Леонид Вениаминович
  • полупроводник
  • светодиод
  • эпитаксия

Разделы

  • Твердотельные гибридные и гетероструктуры на основе полупроводников, металлов и магнетиков
  • Слоистые магнитные материалы и сверхрешетки
  • Полупроводниковые наногетероструктуры (квантовые точки и квантовые проволоки на основе двумерного электронного газа)

Что такое полупроводниковые гетероструктуры

Весьма символично, что Нобелевский комитет под занавес XX века счел необходимым присудить премию «за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий». Именно в этой области человеческой деятельности в последние десятилетия происходят революционные изменения. И очевидна заслуга исследователей, работающих в области физики полупроводников: компьютеры, Интернет, «новая экономика» — всего этого не существовало бы без полупроводниковой элементной базы. Получилось так, что мне выпала честь первым представлять физику полупроводников в журнале Scientific.ru. Надеюсь, в дальнейшем мои коллеги смогут нарисовать перед читателем полную и красочную картину происходящего в нашей области. Я же ставлю перед собой гораздо более простую задачу — показать хотя бы небольшую часть того удивительного мира, который называется «физика полупроводниковых гетероструктур». И даже еще скромнее: дать общие представления, познакомить с терминологией, подготовив читателя к восприятию в дальнейшем более сложных вещей.

Наверняка многие, хотя бы в связи с присуждением Нобелевской премии выдающемуся российскому ученому Жоресу Ивановичу Алферову, слышали слова «гетероструктуры», «наноструктуры», или совсем загадочное — «квантовые точки». Думаю, что пояснения типа «квантовые точки» — это «искусственные атомы», не слишком прояснили для них ситуацию. Попробуем разобраться, за что дают Нобелевские премии и как делают «искусственные атомы». Но сначала ответим на вопрос, что дали человечеству полупроводниковые гетероструктуры? Логично предоставить слово самому Нобелевскому лауреату. «Развитие физики и технологии полупроводниковых гетероструктур привело к значительным переменам в нашей повседневной жизни. . Едва ли можно вообразить нашу жизнь без телекоммуникационных систем, основанных на лазерах с двойной гетероструктурой, без гетероструктурных светодиодов и биполярных транзисторов, без малошумящих транзисторов с высокой подвижностью электронов, применяющихся в высокочастотных устройствах, в том числе в системах спутникового телевидения. Лазер с двойной гетероструктурой присутствует теперь фактически в каждом доме в проигрывателе компакт-дисков. Солнечные элементы с гетероструктурами широко используются как для космических, так и для земных программ. » Уже 15 лет на станции «Мир» исправно работают солнечные элементы на основе полупроводниковых гетероструктур.

Следуя заявленной цели, автор считает необходимым начать «от печки» — с основ, с квантовой механики. В классической механике энергия частицы может принимать любое значение, говорят, что энергетический спектр классической частицы является непрерывным. Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что энергетический спектр частицы может быть как непрерывным, так и дискретным. При определенных обстоятельствах энергия частицы может принимать ограниченный набор значений. Поясним это на простейшем примере. На рис. 1a изображена одномерная прямоугольная потенциальная яма: если энергия частицы превышает U0, то частица может свободно перемещаться вдоль оси x, если же ее энергия меньше U0, то частица локализована в яме. В классической механике энергия частицы в этом случае может иметь любое значение от 0 до U0, а в квантовой механике существует конечное число уровней энергии (минимум один в такой одномерной задаче). Число уровней энергии зависит от ширины потенциальной ямы s, высоты потенциального барьера U0 и массы частицы. Если мы будем увеличивать ширину ямы («раздвигать стенки»), число уровней энергии в яме будет расти (рис. 1b). При этом уровни будут располагаться все ближе и ближе друг к другу. В пределе, когда яма станет бесконечно широкой, энергетический спектр станет непрерывным. Именно из-за того, что в атомах электроны находятся в кулоновом поле ионов (т.е. для них имеет место потенциальная яма), атомные спектры представляют собой набор линий.

Рис 1

Рис.1. a — одномерная прямоугольная потенциальная яма, U(x) — потенциальная энергия; b — прямоугольная потенциальная яма отличается от случая a только большей шириной s.

Покончив с небольшой вводной частью, мы с чистой совестью можем вернуться к нашим баранам и дать определение гетероструктуры. Гетеропереходом называется контакт двух различных по химическому составу полупроводников (естественно, они различаются ширинами запрещенных зон, постоянными кристаллической решетки и другими параметрами). Гетероструктурой называется полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами (принятое обозначение гетероструктур на основе соединений A и B — A/B, соединения A и B называют гетеропарой). Схематически зонная диаграмма двойной гетероструктуры изображена на рис. 2. Отметим, что носителям заряда (электронам и дыркам) энергетически выгодно находиться в среднем слое. Идея использования структур с гетеропереходами в полупроводниковой электронике была выдвинута уже на заре развития электроники, в начале пятидесятых годов. На ранней стадии изучения гетероструктур важный теоретический вклад в исследования внес Г.Кремер, разделивший с Ж.И.Алферовым Нобелевскую премию. В 1963 г. Ж.И.Алферов и Г.Кремер независимо сформулировали конценцию полупроводниковых лазеров на основе двойной гетероструктуры [2]. Вскоре после этого Ж.И.Алферов так описал основные преимущества полупроводниковых лазеров на двойной гетероструктуре [3]: «Области рекомбинации, светового излучения и инверсной населенности совпадают и полностью сосредоточены в среднем слое. Благодаря потенциальным барьерам на границе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны . рекомбинация в эмитерах равна нулю. Инверсия населенности для получения стимулированного излучения может быть достигнута чисто инжекционным способом (двойная инжекция), и для ее получения не требуется высокого уровня легирования средней области . Вследствие заметной разницы в диэлектрических постоянных, свет полностью сосредоточен в среднем слое, играющем роль высококачественного волновода. «.

Рис 2

Рис.2. Зонная диаграмма (энергетическая схема) двойной гетероструктуры: внутри полупроводника с большей шириной запрещенной зоны содержится слой (толщиной несколько десятых долей микрона) полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. Ec — край зоны проводимости, Ev — край валентной зоны. Незаштрихованная часть рисунка между кривыми Ev и Fp — область, заполненная дырками, заштрихованная часть между кривыми Ec и Fn — область, заполненная электронами. Fp и Fn — положение уровня Ферми для дырок и электронов, соответственно.

Однако, хотя высказываемые идеи звучали красиво, их в то время мало кто воспринимал всерьез. Подавляющее большинство исследователей скептически относилось к возможности создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей, считая патент лазера на двойной гетероструктуре пустой бумажкой. Скептицизм этот был понятен. Во-первых, необходимо было найти подходящую гетеропару, т.е. два материала с очень близкими постоянными решетки и многими другими хорошо сочетающимися свойствами. Во-вторых, технологии выращивания полупроводниковых структур были далеки от совершенства.

Надо сказать, что практически идеальная гетеропара существовала — еще в 1915 г. было получено соединение AlAs, имеющее очень близкий к GaAs период решетки. Однако было известно, что AlAs является химически нестабильным и разлагается во влажной атмосфере, так что возможность изготовления пригодных для практического применения устройств на основе гетероструктур GaAs/AlAs казалась малоперспективной. Поэтому группа Ж.И.Алферова поначалу пыталась реализовать свою идею на основе гетеропары GaAs/GaAsP (GaAsP — трехкомпонентный твердый раствор GaAsxP1-x). Однако из-за некоторого несоответствия параметров решетки лазерную генерацию удавалось получить только при низких температурах. К концу 1966 г. стало ясно, что на основе этой гетеропары не удастся реализовать потенциальные преимущества двойной гетероструктуры. Необходимо было искать другие варианты. Как это часто бывает, помог случай: сотрудник группы Ж.И.Алферова, Д.Н.Третьяков, обнаружил, что с кристаллами твердого раствора AlGaAs, пролежавшими более двух лет в ящике стола, за это время ничего не случилось. Открытие было более чем вдохновляющим, так как гетеропара GaAs/AlGaAs позволяла создать решеточно-согласованную гетероструктуру, т.е. избежать возникновения в структуре напряжений. Это очень важно, потому что при превышении некоторой (зависящей от различия параметров решетки) толщины кристаллической решетке в напряженном среднем слое становится выгодным «отстроиться» от периода решетки окружающего материала. Такое «отстроение» происходит путем образования многочисленных дефектов кристаллической структуры (дислокаций несоответствия), что ведет к резкому ухудшению качества структуры. Надо отметить, что и до сих пор гетеропара GaAs/AlGaAs чаще всего используется в исследованиях свойств низкоразмерных полупроводниковых структур!

Исследование свойств гетероперехода GaAs/AlGaAs и усовершенствование технологии выращивания структур — жидкофазной эпитаксии — дало возможность уже в 1970 г. реализовать непрерывный режим лазерной генерации (рис. 3) при комнатной температуре [4]. Сообщение об этом вызвало взрыв интереса к физике и технологии полупроводниковых гетероструктур (в настоящий момент большинство исследователей, работающих в области физики полупроводников, занимаются именно полупроводниковыми гетероструктурами). Практически в то же время было найдено решение, сильно расширяющее возможности подбора решеточно-согласованных гетеропар — использование четверных твердых растворов (в начале исследовались различные составы InGaAsP). Действительно, каждое из соединений (в данном случае — InAs, GaAs, InP, GaP) имеет свою ширину запрещенной зоны и постоянную решетки. Если на графике, по одной из осей которого отложена постоянная решетки, а по другой — ширина запрещенной зоны, поставить четыре точки, соответствующие параметрам этих соединений, то они образуют четырехугольник. Меняя состав четырехкомпонентного раствора InxGa1-xAsyP1-y (x и y — доли различных компонент), можно получать любые значения постоянной решетки и ширины запрещенной зоны в пределах этого четырехугольника.

Рис 3

Рис. 3. Схематическое изображение первого в мире полупроводникового лазера (полоскового), работавшего в непрерывном режиме при комнатной температуре.

В том же 1970 г. случилось другое важное событие, появилась работа Л.Эсаки и Р.Цу [5], посвященная исследованию свойств сверхрешеток — нового вида полупроводниковых гетероструктур. Основным мотивом их деятельности было желание реализовать на базе подобных структур «блоховский осциллятор», или, если подойти к вопросу с практической стороны, создать сверхвысокочастотный генератор. Так было положено начало новому разделу физики полупроводников — физике низкоразмерных структур.

Но прежде чем рассказать о том, что же представляет собой сверхрешетка, разберемся с более простой структурой. На рис 2. изображена обычная двойная гетероструктура. Проведем небольшой мысленный эксперимент: будем уменьшать толщину среднего слоя. Неизбежно наступит момент, когда квазичастицы (электроны и дырки) «почувствуют» конечность толщины слоя (рис. 4). Ситуация с точностью до наоборот отвечает описанной выше для одномерной потенциальной ямы: для тонких слоев начинают проявляться эффекты размерного квантования, непрерывный спектр «сменяется» дискретным набором уровней энергии. Правда, есть важное отличие от рассмотренного выше случая — в направлении роста структуры мы действительно имеем потенциальную яму. Но электроны и дырки могут свободно перемещаться в плоскости слоя, поэтому спектр в реальности является не дискретным, а непрерывным, и существует не набор уровней, а набор энергетических «подзон». Каков характерный размер (в данном случае — толщина слоя), при котором начинают играть существенную роль квантовомеханические эффекты? Он должен быть сопоставим с длиной волны электрона (дырки), которая вблизи дна зоны проводимости (потолка валентной зоны) составляет десятки постоянных решетки, т.е толщина слоя должна быть в пределах одного-двух десятков нанометров. Подобные гетероструктуры с тонкими (несколько нанометров) слоями называются «квантовыми ямами».

Рис 4

Рис. 4. Уменьшение толщины слоя материала B приводит к появлению уровней размерного квантования (Ec и Ev — края зоны проводимости и валентной зоны, соответствено, Ee и Eh — уровни размерного квантования для электронов и дырок). Энергетический спектр определяет спектр излучения структуры и, таким образом, энергия испускаемого при рекомбинации электрона и дырки фотона (E1 и E2 на схемах слева и справа) определяется уже не только ширинами запрещенных зон материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), поэтому E2 > E1. Примечание. Уровней энергии для дырки в более мелкой потенциальной яме больше, чем для электрона в более глубокой, так как эффективная масса у дырки больше, чем у электрона.

Существует естественный предел уменьшения толщины квантовой ямы: нельзя вырастить сплошной слой тоньше, чем один атомный слой. И, конечно, структуры с такими ультратонкими (десятые доли нанометра) слоями были выращены. На секунду остановитесь и попытайтесь представить — один-два-три слоя атомов (!!) в окружении другого материала. Возможно ли, чтобы этот тончайший слой как-то проявил себя? И вообще, возможно ли избежать того, чтобы через некоторое время слой просто не «рассосался» (атомы одного сорта не перемешались с атомами другого сорта)? На эти вопросы есть совершенно определенные ответы. 1. Как это ни удивительно, иногда следы присутствия такого слоя можно увидеть . невооруженным глазом. Дело в том, что введение тончайшего слоя полупроводника B в матрицу полупроводника A радикально меняет спектр люминесценции структуры. В нем доминирует именно линия излучения квантовой ямы, намного превосходя по интенсивности все остальные линии — даже столь тонкая квантовая яма служит эффективной ловушкой для электронов и дырок. И, скажем, вместо зеленого света структура с ультратонкой квантовой ямой светит желтым или красным (в зависимости от толщины). 2. У автора в ящике стола лежат структуры с ультратонкими квантовыми ямами и квантовыми точками (о них речь впереди) CdTe в ZnTe, выращенными в новосибирском Институте физики полупроводников более десяти лет назад. За это время эти структуры десятки раз помещали в криостат, охлаждая до 5 K и снова отогревая. И с ними ничего не случилось! Они светят так же интенсивно и в том же диапазоне, как и десять лет назад.

«Искусственные кристаллы»

Вернемся теперь к сверхрешеткам. Сверхрешетка представляет собой последовательность чередующихся слоев более узкозонного (яма) и более широкозонного (барьер) полупроводников, по сути, набор связанных квантовых ям. Появление дополнительного периода (толщина слоя ямы + толщина слоя барьера), превышающего период кристаллической решетки (отсюда термин «сверхрешетка»), приводит к изменению энергетического спектра структуры. Хорошая аналогия тут — образование естественных кристаллов из отдельных атомов. Из-за того, что волновые функции электронов перекрываются (электроны «чувствуют» друг друга), система уровней энергии атомов преобразуется в систему энергетических полос (зон), в пределах которых электроны могут свободно перемещаться по кристаллу. Так и в сверхрешетке уровни в отдельных квантовых ямах сливаются в энергетические «минизоны», только, в отличие от естественного кристалла, ширинами минизон можно управлять, меняя толщины барьеров. С некоторой долей условности можно сказать, что сверхрешетка представляет собой «одномерный кристалл», созданный человеком. Именно термин «созданный человеком кристалл» и употребил в своей работе Л.Эсаки.

Лирическое отступление во славу технологии.

Нельзя не сказать хотя бы нескольких слов о современных методиках получения полупроводниковых гетероструктур. Один основных методов выращивания гетероструктур — молекулярно-пучковая эпитаксия. Из специальных ячеек, в которых содержатся исходные компоненты, происходит медленное напыление вещества на шайбу из полупроводникового материала (подложку). Скорости роста (слой с толщиной один микрон выращивается несколько часов) и другие условия таковы, что происходит послойный рост атомных слоев (!), что позволяет добиться высокого кристаллического совершенства получаемых структур. Естественно, процедура напыления протекает в высоком вакууме (в современных установках в отсутствие потоков вещества из ячеек можно получить вакуум не хуже нескольких единиц на 10 -11 торр). Высокотехнологичные установки дают возможность, контролируемым образом изменяя условия (температуру подложки, давление потоков из источников с различными компонентами (в частности, открывая и закрывая заслонки у разных ячеек) и т.д.) получать сложные гетероструктуры с заданными свойствами.

Пропев дифирамбы могучей дорогостоящей современной технике, обратим внимание на очень важную вещь. Мы говорили об изменении энергетического спектра структуры вследствие локализации электронов и дырок в квантовой яме. А будут ли эти квазичастицы, локализованные в столь тонком слое, вести себя также, как в объемном (трехмерном) полупроводнике: фактически «для жизни» им остаются только два измерения? Разве это не должно соответствующим образом изменить свойств «электронной подсистемы» кристалла? Понижение размерности действительно имеет место быть! В случае квантовых ям поэтому говорят о «двумерном электронном газе». И, соответственно, квантовые ямы можно назвать квазидвумерными структурами. Нет никакой возможности отразить в данной статье всю совокупность явлений, связанных с подобным изменением «эффективной размерности пространства». Могу только сказать, что за открытие и исследование квантового эффекта Холла (целочисленного и дробного, когда квазичастицы ведут себя так, будто имеют дробный заряд!) при изучении свойств двумерного электронного газа присуждено две Нобелевские премии. Проиллюстрирую «физику» только на одном примере.

«Двумерные атомы».

В простейшем атоме, атоме водорода, где один электрон взаимодействует с одним протоном, можно получить аналитическое решение задачи на определение энергетического спектра. В полупроводниках при низких температурах существуют водородоподобные «квазиатомы» — экситоны. Экситон представляет собой связанное состояние электрона и дырки, возникающее в результате кулоновского взаимодействия. Еще более точной будет аналогия со связанным состоянием электрона и позитрона, позитронием, поскольку экситон нестабилен, т.е. имеет конечное время жизни. Образующие экситон электрон и дырка могут рекомбинировать (аннигилировать), испустив фотон. Но электрон и дырка взаимодействуют не в вакууме, а в среде с диэлектрической проницаемостью порядка 10, и, кроме того, эффективная масса этих квазичастиц меньше массы свободного электрона (грубо говоря, чтобы корректно описать поведение электрона, «живущего» в кристаллической решетке, можно считать его частицей с массой, отличной от массы свободного электрона). Поэтому энергия связи экситона в полупроводниках примерно на три порядка меньше, чем энергия связи электрона и протона в атоме водорода. Так что экситоны в объемных полупроводниках не доживают до комнатной температуры (даже если в институте не топят), с ростом температуры за счет взаимодействия с колебаниями решетки происходит диссоциация экситона — распад на электрон и дырку.

Что же будет происходить с экситоном при «понижении размерности»? Решая уравнение Шредингера в чисто двумерном случае, мы получим ответ: энергия связи экситона должна увеличиться в четыре раза. Действительно, энергия связи экситона в квантовых ямах возрастает (экситоны в квантовых ямах могут существовать и при комнатной температуре), но не столь сильно. Необходимо учесть, что чисто двумерная ситуация — идеализация. В реальности высота потенциального барьера всегда конечна, как и ширина квантовой ямы (толщина слоя), поэтому экситон никогда не становится чисто двумерным. Энергия связи экситона имеет максимум при некоторой «промежуточной» ширине квантовой ямы. Дело в том, что по мере уменьшения толщины ямы из-за конечности высоты барьера уровень энергии выталкивается вверх и эскитон становится «все более трехмерным» (можно сказать, что «эффективная размерность системы» повышается).

«Вверх по лестнице, ведущей вниз».

После квазидвумерных структур должны по идее идти квазиодномерные и квазинульмерные. Они существуют. «Квантовые проволоки» (иногда их называют «квантовыми нитями») — квазиодномерные струтуры. Носители заряда в квантовой проволоке локализованы в двух направлениях и могут свободно перемещаться в одном, вдоль проволоки. И, наконец, квазинульмерные структуры — «квантовые точки». На первых порах наряду с неустоявшимся еще термином «квантовые точки» бытовал термин «квантовые ящики», на мой взгляд, «более наглядный». По существу, это трехмерные потенциальные ямы, т.е. квазичастицы локализованы во всех трех направлениях. Естественно, характерные размеры такого объекта, называй ли его «точкой» (с точки зрения человека) или «ящиком» (с точки зрения электрона), — те же самые несколько нанометров. Полная — во всех направлениях — локализация приводит к тому, что энергетический спектр подобной структуры по-настоящему дискретен. Именно по этой причине квантовые точки иногда называют «искусственными атомами» — эти изготовленные человеком объекты нанометровых размеров имеют квазиатомый (дискретный) энергетический спектр.

У вас, видимо, возникает законный вопрос: вырастить квантовую яму просто, ввели тонкий слой одного полупроводника в матрицу другого, и пожалуйста, однако как же получить квантовые проволоки и квантовые точки? Можно, конечно «вырезать» полоски (квантовые нити) или квантовые точки из выращенных плоских слоев с помощью литографии, иногда так и поступают. Однако это не самый удобный и легкий путь. Как говорится в одном рекламном ролике, «есть способ лучше» — спонтанное формирование квантовых точек в процессе роста. Помните, как важно было на первом этапе найти «идеальную гетеропару», материалы с близкими постоянными решетки? Так вот, с развитием технологии оказалось, что напряжения в структуре могут играть и положительную роль. При росте ультратонких напряженных слоев иногда оказывается термодинамически выгодным не двумерный (послойный) рост, а трехмерный рост — распад сплошного слоя на массив отдельных островков-включений (рис. 5). Так происходит, например, в наиболее хорошо исследованной системе InAs/GaAs, где постоянные решетки соединений InAs и GaAs различаются на 7 %. В этой системе самопроизвольно формируются квантовые точки в форме . пирамидок с квадратным основанием (сторона квадрата порядка 12 нм) и высотой до 6 нм. Но возможны варианты — в системе CdSe/ZnSe (те же 7 % разницы постоянных решетки) квантовые точки образуются в форме плоских «блинчиков». Надеюсь, у меня еще будет возможность более подробно рассказать на страницах Scientific.ru об этих удивительных объектах.

Рис 5

Рис. 5. Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Важно отметить, что формирование квантовых точек происходит без образования дислокаций несоответствия (говорят о системе когерентно напряженных трехмерных островков).

Пожалуй, наше путешествие подходит к логическому концу. Как нельзя вычерпать кружкой море, так в одной статье невозможно дать развернутую картину происходящего в физике низкоразмерных структур и нарисовать перспективы практического применения гетероструктур и наноструктур (как вы, наверно, уже догадались, этот термин говорит о характерных размерах структурных элементов — нанометры). Ограничусь одним примером. С точки зрения практического применения история развития полупроводниковых лазеров — это в значительной степени история борьбы за снижение их порогового тока, при котором начинается лазерная генерация. Действительно, большие токи — это большие рассеиваемые мощности, соответственно, перегрев и ускоренная деградация полупроводниковой структуры. Малые пороговые токи — это долгоживущие миниатюрные лазерные устройства. На рис. 6 показана временная эволюция пороговой плотности тока полупроводниковых лазеров. Видно, сколь велика «заслуга» полупроводниковых гетероструктур (в особенности низкоразмерных структур) — пороговую плотность тока удалось снизить более чем на три порядка! На графике не отражены последние достижения, связанные с появлением лазеров на квантовых точках (см. подпись).

Рис 6

Рис. 6. Эволюция порогового тока полупроводниковых лазеров. Стрелками показаны важные этапы, слева направо: влияние двойных гетероструктур, влияние квантовых ям, влияние гетероструктур, содержащих квантовую яму «в окружении» короткопериодных сверхрешеток (рекордный для своего времени результат 40 А/см 2 был получен в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе). Данный график отражает ситуацию на момент середины 1990-х годов, в настоящее время лазеры на квантовых точках имеют пороговые плотности тока порядка 15 А/см 2 .

Подытожим. Если классические гетероструктуры открыли новые технологические горизонты, то использование низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур дает исследователям, технологам и инженерам практически неограниченную свободу рук. Можно сказать, что Нобелевский лауреат подарил человечеству своего рода «конструктор». Поскольку в наноструктурах существенную роль играют квантовомеханические эффекты, можно даже сказать»квантовый конструктор». Путем подбора параметров гетероструктуры (материалы, толщины (см. рис. 4) и последовательность расположения слоев etc.) исследователи теперь в состоянии получать структруры с требуемыми свойствами. Например, просто меняя номинальную толщину слоя CdTe в матрице ZnTe с 0.3 до 1.2 нм, мы изменяем длину волны излучения (при температуре 5 K) с 530 до 620 нм, т.е «переезжаем» из зелено-желтой области видимого спектра в красную.

Наверно, под занавес стоит сказать пару слов и о том, как обстоят дела с исследованием низкоразмерных структур в России в настоящее время. Сложные методики роста, сложные экспериментальные методики — все это требует значительных финансовых затрат. Современная установка для молекулярно-лучевой эпитакии, к примеру, стоит порядка миллиона долларов. Тем не менее, пока уровень российских научных работ в этой области остается достаточно высоким. И Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе, директором которого в настоящее время является Ж.И.Алферов, по праву можно назвать ведущим в России исследовательским центром в области полупроводниковых наноструктур. Высокий творческий потенциал, умелое использование советского технологического задела и широкая международная кооперация позволяют исследователям из питерского Физтеха быть на переднем краю. Хочется, пользуясь случаем, еще раз поздравить их и пожелать им новых успехов.

Гетероструктура

Гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны. Для роста используют много методов, среди которых можно выделить два:

  • Молекулярно-лучевая эпитаксия,
  • MOCVD.

Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до атомного монослоя [1] ). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.

За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алферов получил Нобелевскую премию в 2000 году.

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

См. также

  • Гетероструктура — Физическая энциклопедия
  • Гетероструктура — Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы»
  • Солнечная энергетика и энергосбережение

Примечания

  1. W. Patrick McCray, MBE deserves a place in the history books, Nature Nanotechnology 2, 259 — 261 (2007) doi:10.1038/nnano.2007.121
  • Физика полупроводников
  • Полупроводниковые приборы

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Гетероструктура» в других словарях:

  • гетероструктура — гетероструктура … Орфографический словарь-справочник
  • ГЕТЕРОСТРУКТУРА — комбинация нескольких гетеропереходов, применяемая в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах и др … Большой Энциклопедический словарь
  • гетероструктура — комбинация нескольких гетеропереходов, применяемая в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах и др. * * * ГЕТЕРОСТРУКТУРА ГЕТЕРОСТРУКТУРА, комбинация нескольких гетеропереходов, применяемая в полупроводниковых лазерах (см.… … Энциклопедический словарь
  • гетероструктура — Heterostructure Гетероструктура Структура, состоящая из двух и более слоев полупроводника с различными параметрами кристаллической решетки и разной зонной структурой … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М.
  • гетероструктура — įvairialytis darinys statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. heterogeneous structure; heterojunction structure; heterostructure vok. Heterogefüge, n; Heterostruktur, f rus. гетероструктура, f pranc. hétérostructure, f … Radioelektronikos terminų žodynas
  • гетероструктура полупроводниковая — Термин гетероструктура полупроводниковая Термин на английском semiconductor heterostructure Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гетероэпитаксия, квантовая проволока, квантовая яма, полупроводник, светодиод Определение искусственная структура … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • ГЕТЕРОСТРУКТУРА — комбинация неск. гетеропереходов, применяемая в полупроводниковых лазерах, светоизлучагощих диодах и др … Естествознание. Энциклопедический словарь
  • гетероструктура — гетерострукт ура, ы … Русский орфографический словарь
  • гетероструктура — (1 ж); мн. гетерострукту/ры, Р. гетерострукту/р … Орфографический словарь русского языка
  • гетероструктура — гетерострукту/ра, ы … Слитно. Раздельно. Через дефис.
  • Обратная связь: Техподдержка, Реклама на сайте
  • �� Путешествия

Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP,
WordPress, MODx.

  • Пометить текст и поделитьсяИскать в этом же словареИскать синонимы
  • Искать во всех словарях
  • Искать в переводах
  • Искать в ИнтернетеИскать в этой же категории

гетероструктура полупроводниковая

гетероструктура полупроводниковая Термин гетероструктура полупроводниковая Термин на английском semiconductor heterostructure Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гетероэпитаксия, квантовая проволока, квантовая яма, полупроводник, светодиод Определение искусственная структура, изготовленная из двух или более различных полупроводниковых веществ (материалов), в которой важная роль принадлежит переходному слою, т. е. границе раздела двух веществ (материалов) Описание

В состав полупроводниковых гетероструктур входят элементы II-VI групп (Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te), соединения A III B V и их твердые растворы, а также соединения A II B VI . Из соединений типа A III B V наиболее часто используются арсенид и нитрид галлия GaAs и GaN, из твердых растворов — AlxGa1xAs. Использование твердых растворов позволяет создавать гетероструктуры с непрерывным, а не скачкообразным изменением состава и непрерывным изменением ширины запрещенной зоны.

Для изготовления гетероструктур важно согласование (близость по величине) параметров кристаллической решетки двух контактирующих соединений (веществ). Если два слоя соединений с сильно различающимися постоянными решетки выращиваются один на другом, то при увеличении их толщины на границе раздела появляются большие деформации, и возникают дислокации несоответствия. В связи с этим для изготовления гетероструктур часто используют твердые растворы системы AlAs — GaAs, так как арсениды алюминия и галлия имеют почти одинаковые параметры решетки. В этом случае монокристаллы GaAs являются идеальной подложкой для роста гетероструктур. Другой естественной подложкой является фосфид индия InP, который применяется в комбинации с твердыми растворами GaAs — InAs, AlAs — AlSb и др.

  • Гусев Александр Иванович, д.ф.-м.н.
  1. Ж. И. Алферов. Двойные гетероструктуры: концепции и применения в физике, электронике и технологии. УФН. 2002. Т.172. № 9. С.1072-1086 сс.
  2. А. И. Гусев. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Изд. 2-е, исправленное и дополненное. Москва: Наука-Физматлит, 2007. 416 с.

Поперечное сечение полупроводниковой гетеронаноструктуры Si/GaP0.97N0.03/Si

Энциклопедический словарь нанотехнологий. — Роснано . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «гетероструктура полупроводниковая» в других словарях:

  • гетероэпитаксия — Термин гетероэпитаксия Термин на английском heteroepitaxy Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гетероструктура полупроводниковая, эпитаксия твердофазная, эпитаксия газофазная, эпитаксия жидкофазная, эпитаксия молекулярно лучевая, метод… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • квантовая проволока — Термин квантовая проволока Термин на английском quantum wire Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гетероструктура полупроводниковая, квантовая точка, квантовая яма, литография Определение Полупроводниковый материал нитеобразной формы, в… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • квантовая яма — Термин квантовая яма Термин на английском quantum well Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гетероструктура полупроводниковая, квантовая проволока, квантовая точка, эпитаксия молекулярно лучевая, метод Определение тонкий плоский слой… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • квантовая точка — Термин квантовая точка Термин на английском quantum dot Синонимы nano dot Аббревиатуры КТ, QD, ND Связанные термины биосовместимые покрытия, квантовая проволока, квантовая яма, нанокристалл, нанофармакология Определение частица полупроводникового … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • полупроводник — Термин полупроводник Термин на английском semiconductor Синонимы Аббревиатуры Связанные термины акцептор, гетероструктура полупроводниковая, светодиод, диэлектрик, поверхностная реконструкция Определение материал, который по своей удельной… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • светодиод — Термин светодиод Термин на английском light emitting diode Синонимы Аббревиатуры LED Связанные термины гетероструктура полупроводниковая, органический светодиод, полупроводник Определение полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • эпитаксия — Термин эпитаксия Термин на английском epitaxy Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гетероструктура полупроводниковая, гетероэпитаксия, гомоэпитаксия, подложка, эпитаксия твердофазная, эпитаксия газофазная, эпитаксия жидкофазная, эпитаксия… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • граница раздела — Термин граница раздела Термин на английском interface Синонимы Аббревиатуры Связанные термины Определение поверхность касания двух зерен в компактных поликристаллических материалах или переходный слой между двумя материалами (веществами) в… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • Полупроводниковые наногетероструктуры (квантовые точки и квантовые проволоки на основе двумерного электронного газа) — Статьигетероструктура полупроводниковаяквантовая проволокаквантовая точкаквантовая яматуннелирование (Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО») … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • Слоистые магнитные материалы и сверхрешетки — Статьигетероструктура полупроводниковаягибридные материалыгигантское магнетосопротивлениемикроморфологиярасслаиваниетуннельное магнетосопротивление (Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО») … Энциклопедический словарь нанотехнологий
  • Обратная связь: Техподдержка, Реклама на сайте
  • �� Путешествия

Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP,
WordPress, MODx.

  • Пометить текст и поделитьсяИскать в этом же словареИскать синонимы
  • Искать во всех словарях
  • Искать в переводах
  • Искать в ИнтернетеИскать в этой же категории

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *