Гетро — тип полупроводниковых структур¶

Гетро (от англ. heterojunction, гетеропереход) — электрический переход, образованный контактом двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны, разными типами проводимости или разным химическим составом. В отличие от гомоперехода, где обе области состоят из одного материала (например, p-n-переход в кремнии), гетрообъекты позволяют независимо управлять свойствами каждой области, что открывает широкие возможности для создания высокочастотных, оптических и силовых приборов.

¶История

Идея использования контакта разных полупроводников была впервые реализована в начале 1950-х годов. В 1951 году немецкий физик Герберт Крёмер теоретически обосновал преимущества гетеропереходов для высокочастотных транзисторов, за что впоследствии получил Нобелевскую премию по физике (2000, совместно с Ж. Альфёровым и Дж. Килби). В СССР первые экспериментальные гетероструктуры были созданы в 1960-е годы в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Жореса Алфёрова. Работы по гетеролазерам и светодиодам на основе AlGaAs/GaAs-структур принесли Алфёрову Нобелевскую премию по физике в 2000 году.

¶Классификация

Гетероструктуры различают по нескольким признакам:

• По типу проводимости: p-n, p-p и n-n переходы;
• По градиенту состава: abrupt (ступенчатые) — состав меняется резко на границе; graded (градиентные) — состав меняется плавно;
• По числу переходов: одиночные гетеропереходы и гетероструктуры с множественными переходами (многопериодные, суперрешётки);
• По степени согласованности решётки: согласованные (lattice-matched), где постоянные решётки материалов близки, и несогласованные (метастабильные), где различие компенсируется упругими напряжениями.

¶Физические свойства

При контакте двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны на границе возникают ступени для зон проводимости и валентной зоны. Высота ступеней определяется разностью сродства электронов и разностью ширин запрещённых зон. Это позволяет:

• создавать ловушки для носителей заряда определённого типа (гетероловушки);
• формировать двумерный газ электронов (ДГЭ) в узких квантовых ямах — основа высокочастотных НЕМТ-транзисторов;
• обеспечивать эффективную инжекцию носителей в лазерных диодах и светодиодах.

Ключевое достоинство гетероструктур — возможность раздельного управления электрическими и оптическими свойствами: одна область может отвечать за генерацию света, другая — за ограничение гетеронесущих и обеспечивать оптическое волноведение.

¶Основные материалы

Наиболее распространённые системы гетероструктур:

¶Применение

¶Лазерные диоды

Гетеролазеры — основа лазеров для оптоволоконной связи, оптических дисководов, накачки твердотельных лазеров. Двойные гетероструктуры (1970-е) позволили достичь непрерывной работы при комнатной температуре, а квантовые ямы — существенно снизить пороговый ток.

¶Транзисторы

Гетеробиполярные транзисторы (ГБТ, HBT) на AlGaAs/GaAs и InGaAs/InP применяются в радиочастотной электронике: мобильной связи, радарах, спутниковых приёмниках. НЕМТ-транзисторы (на основе двумерного газа электронов в AlGaN/GaN) используются в силовой электронике и радиочастотных усилителях.

¶Солнечные элементы

Многопериодные гетероструктуры позволяют создавать солнечные элементы с рекордным КПД (более 47 % в лабораторных условиях для многоjunction-элементов при концентрации света). В космосе гетероструктурные солнечные элементы — стандартное решение для питания спутников.

¶Светодиоды

Высокоэффективные белые светодиоды строятся на основе гетероструктур InGaN/GaN, где квантовые ямы InGaN служат активной зоной излучения.

¶Технология изготовления

Основные методы выращивания гетероструктур:

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — высокая точность контроля толщины слоёв до атомных размеров;
• Металлоорганическая эпитаксия (MOCVD) — промышленный метод для массового производства лазеров и светодиодов;
• Метод жидкостной фазной эпитаксии — исторически первый, применяется для роста толстых слоёв.

Ключевая технологическая задача — согласование постоянных решёток материалов, чтобы избежать дислокаций на границе раздела. При несогласовании создаются напряжённые (strained) структуры, которые в ряде случаев улучшают характеристики приборов.

¶Значение

Гетероструктуры стали фундаментом современной фотоники и высокочастотной электроники. По оценкам отрасли, подавляющее большинство светодиодов, лазеров оптоволоконной связи и радиочастотных усилителей мобильных устройств используют гетеропереходы. Развитие гетероструктурной физики продолжается в направлениях нитридов галлия, кремниевой фотоники и перовскитных гетероструктур.

¶Источники

• Крёмер Г. Теория гетеропереходов // Успехи физических наук, 1963.
• Алфёров Ж. И. Гетероструктуры в полупроводниковой физике и технике. — Л.: Наука, 1979.
• Сиверс Д. М., Стритмен Б. Г. Введение в физику полупроводников. — М.: Мир, 1982.
• Бурмистров В. А., Лашкарёв А. В. Гетероструктурные лазерные диоды. — М.: Физматлит, 2005.