Гетеропереходы. 
Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники

Возможность создания гетероперехода определяется существованием двух полупроводников с одинаковым типом кристаллической решетки, близкими значениями периода решетки и технологической возможностью их совместного изготовления. Параметры некоторых полупроводников, пригодных для создания гетеропереходов, приведены в таблице VIII.1.1.

Таблица VIII.1.1

Параметры некоторых полупроводников, пригодных для создания гетеропереходов.

Особенности гетеропереходов

Основными параметрами гетероперехода являются положения границ запрещенной зоны, а именно — разрывы зоны проводимости ДЕ₍ и валентной зоны ДЕ_;. В зависимости от соотношения знаков ДЕ₍ и ДЕ_г различают гетеропереходы 1-го и П-го рода. На гетеропереходе I-го рода параметры ДЕ, и ДЕ_;1 имеют разные знаки и края зон смещаются в противоположных направлениях. При этом меньшая запрещенная зона на оси энергии находится целиком внутри большей запрещенной зоны. На гетеропереходе П-го рода параметры ДЕ₍ и ДЕ_;| одного знака, и края зон смещаются в одном направлении. При этом запрещенные и разрешенные зоны материалов, образующих гетеропереход, перекрываются.

Первые модели гетеропереходов предполагали, что механизм образования скачков зон аналогичен механизму образования контактной разности потенциалов на р-п переходе: уровень энергии электрона в вакууме на гетеропереходе непрерывен, а разрыв зоны проводимости определяется разностью электронных сродств полупроводников (модель Андерсона [5]):

Однако эксперименты показали, что этот подход справедлив далеко не всегда. Физическая причина состоит в том, что взаимодействие находящихся вблизи гетероперехода атомов отличается от их взаимодействия в объеме. При сохранении электронейтральности гетероперехода в целом относительное перераспределение электронной плотности в микроскопической области вблизи гетероперехода характеризуется дипольным моментом, который приводит к разрыву уровня энергии электрона в вакууме. Разрыв зон на гетеропереходе зависит от деталей формирования межатомных связей, причем величина ДЕ_Г может быть как больше, так и меньше величины AH'. Существенную роль играет также деформационный потенциал в напряженных гстероструктурах.

Данные табл. VIII.1.1 показывают, что прекрасными парами для гетеропереходов I-го рода являются полупроводниковые соединения А³В⁵, например GaAs/Al_xGaj __xAs, где х — мольная доля Л1. Различие периодов решетки GaAs и AlAs составляет всего 0,12%, однако в GaAs энергетический минимум зоны проводимости находится в центре зоны Бриллюэна, а в AlAs — на краю. Поэтому максимальная величина разрыва зоны проводимости ДЕ₍ достигается при х = 0,3 и составляет около 0,3 эВ.

Ширина запрещенной зоны в AlAs на ДЕ^,₀ = 0,736 эВ больше, чем в GaAs, причем в соединении Al_x Ga_{l x}As величина разрыва в ширине запрещенной зоны примерно пропорциональна мольной доле А1:

Ввиду чрезвычайно малой эффективной массы электронов в индии (и, следовательно, высокой подвижности) весьма перспективными для гетеропереходных транзисторов являются тройные полупроводниковые соединения InGaAs, InGaP, InAlAs и InP.

Введение

индия в GaAs существенно повышает подвижность электронов. По данным работы [12] в соединении In_xGa_{1 x}As подвижность электронов возрастает с увеличением мольной доли In х примерно по закону р_/7 = 5000(1 + 2х) см²/В с. Постоянные решетки InGaAs, InGaP, InAlAs и InP-подложки хорошо согласуются, что позволяет довести мольную долю In до х ~ 0,6 и увеличить подвижность электронов при 300 К примерно вдвое.

Введение

In в GaAs сужает запрещенную зону, причем разрыв зоны проводимости в гетероструктуре In₀₅₃Ga₀₄₇As/GaAs составляет около 0,5 В (вдвое больше, чем в Al₀₃Ga₀₇As/GaAs).

Весьма перспективны гетероструктуры на основе традиционных полупроводников Si/SiGe [12—16], в которых могут быть получены в 2—3 раза более высокие, чем в кремнии, значения подвижности как электронов, так и дырок [ 12].

Рассогласование постоянных решетки Ge и Si составляет 4,2%, что вызывает механические напряжения в более тонком слое гетероструктуры. На рис. VIII. 1.1 показаны энергетические диаграммы гетеропереходов Si/Si₀₇Ge₀₃, в которых напряженными являются слои Si/Si₀₇ Ge₀, (а) или Si (б). В первом случае реализуется гетеропереход 1-го рода, во втором — гетеропереход П-го рода. В последнем случае разрывы зоны проводимости и валентной зоны примерно одинаковы при почти одинаковой ширине запрещенной зоны (AE_g = 0,1 эВ), что позволяет создавать на ее основе комплементарные пары полевых транзисторов с высокими подвижностями электронов и дырок в канате: р" = 1270−2830 см²/Вс, р_;, = 800−1000 см²/Вс [13,14].

Рис. VIII. 1.1. Энергетические диаграммы гетеропереходов Si/Sio, 7 Geo.;i:

о — напряженный слой Sio.7 Ge₀.3; б — напряженный слой Si.

11аиболее совершенными технологическими методами изготовления гетеропереходов являются молекулярно-лучевая эпитаксия (МВЕ), позволяющая создавать сверхтонкие (вплоть до моноатомных) полупроводниковые слои, и эпитаксия металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD).