Гетероструктуры в полупроводниковой электронике¶

Гетероструктуры в полупроводниковой электронике — это многослойные кристаллические структуры, состоящие из двух или более различных полупроводниковых материалов с отличающейся шириной запрещённой зоны, при этом переход между слоями (гетеропереход) формируется на атомарном уровне. Ключевым свойством гетероструктур является возможность управления движением носителей заряда (электронов и дырок) и светом в нанометровом масштабе, что лежит в основе работы большинства современных высокочастотных, оптоэлектронных и силовых приборов.

¶История

Основы физики гетеропереходов были заложены в середине XX века. В 1947 году советский физик С. И. Жуков первым предложил концепцию идеального гетероперехода. Однако практическая реализация стала возможной только после разработки методов эпитаксиального роста, прежде всего молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), развитой в 1960–1970-х годах в СССР (Ж. И. Алфёров и его группа в ФТИ им. А. Ф. Иоффе) и в США (Г. Кремер). За создание полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной и оптоэлектронике, Ж. И. Алфёров и Г. Кремер были удостоены Нобелевской премии по физике в 2000 году.

¶Типы гетероструктур

Классификация гетероструктур проводится по нескольким признакам.

¶По типу гетероперехода

Изотипные — переход между слоями с одинаковым типом проводимости (n–n или p–p).
Анизотипные — переход между слоями с разным типом проводимости (p–n).

¶По соотношению ширин запрещённых зон

Первый тип (straddling) — зоны проводимости и валентная зона одного материала полностью перекрывают соответствующие зоны другого (например, GaAs/AlGaAs).
Второй тип (staggered) — зоны смещены частично, носители пространственно разделены (например, InAs/GaSb).
Третий тип (broken gap) — зоны не перекрываются вовсе, что приводит к уникальным свойствам (например, InAs/GaSb).

¶По размерности

Квантовые ямы — тонкий слой (менее длины волны де Бройля) узкозонного материала между широкозонными барьерами.
Сверхрешётки — периодические структуры из множества чередующихся квантовых ям и барьеров.
Квантовые точки и нити — структуры с ограничением движения носителей в одной или двух пространственных координатах.

¶Устройство и принципы работы

Основой гетероструктуры является гетеропереход — граница раздела двух материалов с разной шириной запрещённой зоны. На этой границе возникает разрыв зон проводимости (ΔEc) и валентной зоны (ΔEv), который создаёт потенциальные барьеры и ямы для носителей заряда.

Ключевые физические эффекты, используемые в приборах:

Двумерный электронный газ (2DEG) — высокая подвижность электронов, накапливающихся в квантовой яме вблизи гетероперехода, отделённых от ионизированных доноров.
Модуляционное легирование — легируется только широкозонный барьер, а носители перетекают в узкозонную яму, где отсутствует рассеяние на примесных ионах.
Квантовое ограничение — дискретизация энергетических уровней в квантовых ямах, что позволяет управлять длиной волны излучения и поглощения.

¶Применение

Гетероструктуры являются основой элементной базы современной электроники и оптоэлектроники.

¶Оптоэлектроника

Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) на основе двойных гетероструктур и квантовых ям — используются в волоконно-оптических линиях связи, лазерных принтерах, CD/DVD/Blu-ray приводах, медицинском оборудовании.
Светодиоды (LED) — высокоэффективные источники света, включая синие и белые светодиоды на основе GaN/AlGaN, за создание которых в 2014 году была присуждена Нобелевская премия.
Фотодетекторы — высокоскоростные фотодиоды и лавинные фотодиоды для приёма оптических сигналов.

¶Высокочастотная электроника

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT, pHEMT, mHEMT) — на основе AlGaAs/GaAs, AlGaN/GaN. Используются в базовых станциях сотовой связи, радарах, спутниковой связи, системах СВЧ-электроники.
Гетеробиполярные транзисторы (HBT) — на основе SiGe и InP, применяются в высокоскоростных аналого-цифровых преобразователях и оптоэлектронных интегральных схемах.

¶Силовая электроника

Транзисторы на основе GaN/AlGaN — используются в импульсных источниках питания, зарядных устройствах, инверторах для электромобилей и солнечных электростанций благодаря высокой пробивной напряжённости и низкому сопротивлению.

¶Фотоэнергетика

Многопереходные солнечные элементы (на основе GaInP/GaAs/Ge и др.) — достигают КПД свыше 47% при концентрированном освещении, применяются в космических аппаратах и наземных концентраторных станциях.

¶Технологии изготовления

Основные методы создания гетероструктур:

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — сверхвысоковакуумный метод с точностью контроля толщины до одного монослоя.
Металлоорганическая газофазная эпитаксия (МОГФЭ, MOCVD) — промышленный метод, обеспечивающий высокую производительность и однородность.
Гибридные методы — комбинация эпитаксии и ионной имплантации или диффузии.

¶Интересные факты

Первый лазер на двойной гетероструктуре (GaAs/AlGaAs) был создан в 1970 году в СССР и США практически одновременно, что положило начало эпохе волоконно-оптической связи.
Транзисторы HEMT на основе GaN способны работать при температурах выше 300 °C и выдерживать радиационное воздействие, что делает их перспективными для аэрокосмической отрасли.
В гетероструктурах на основе графена и дисульфида молибдена (переходные металлы) наблюдается эффект сверхпроводимости при определённых условиях, что является предметом активных исследований.

¶Источники

Алфёров Ж. И. «История и будущее полупроводниковых гетероструктур» // Физика и техника полупроводников, 1998.
Кремер Г. «Heterostructure bipolar transistors and integrated circuits» // Proceedings of the IEEE, 1982.
Шуберт Э. Ф. «Light-Emitting Diodes» // Cambridge University Press, 2006.
Милнс А., Фойхт Д. «Гетеропереходы и структуры металл-полупроводник» // Мир, 1975.
Стритман Б., Банарджи С. «Solid State Electronic Devices» // Pearson, 2015.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →