1. Технологические основы сверхрешеточных структур

Сверхрешетки представляют собой многослойные структуры, получаемые путем последовательного выращивания на соответствующей подложке тонких (<20 нм) чередующихся слоев по меньшей мере двух материалов (или одного материала, легированного различным обратом). Хотя, для создания сверхрешеточных структур в принципе пригоден весьма широкий круг веществ, что создает значительную свободу выбора, на самом деле для получения желаемых свойств требуется жесткий контроль атомной структуры, дефектов, намеренно вводимых и остаточных примесей и др. Таким образом, высокое качество роста является решающим условием для проявления потенциальных возможностей, заложенных в сверхрешетках.

Для получения требуемой атомной структуры (определяющей электронные свойства сверхрешеток) необходимо сосредоточить внимание на условиях и механизмах роста. К сожалению, в этом направлении работ по сверхрешеткам до сих пор делалось слишком мало систематических усилий. Здесь необходимы исследования, позволяющие вывести тги работы за рамки чистой эмпирики.

Для выращивания сверхрешсточных структур использовались различные технологические методы, но пока лишь немногие из них представляются способными удовлетворить строгим требованиям, предъявляемым к таким многослойным структурам.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) в своей основной форме вместе с разными новыми идеями, связанными с кристаллизацией в сверхвысоком вакууме, позволяет надеяться на получение высококачественных структур, необходимых для исследований и приборных применений. В основе этой технологии лежит возможность роста по существу в кинетическом режиме в отличие от более традиционных методов, где рост идет в условиях, близких к термодинамическому равновесию. Такой кинетический характер роста позволяет создавать однородные метастабильиые неупорядоченные твердые растворы в системах, которые в равновесных условиях обладали бы областью несмешиваемости. Подобные твердые растворы при необходимости могут быть компонентами сверхрешеток.

Эмпирическая связь между разностью атомных радиусов и наличием области несмешиваемости в твердых растворах бинарных соединений с тетраэдрическими связями была установлена для квазиравновесных условий роста. На языке рассогласования постоянных решетки тго приблизительно отвечает значению 7,5%. Интересным примером может служить система lnAs_1-xSb_x, с областью несмешиваемости 0,3 <х < 0,9. Однако использование кинетического характера роста при МЛЭ позволяет сиять термодинамические ограничения и создавать такие твердые растворы во всей области составов.

Особенности, присущие технологии МЛЭ, делают ее удобной для исследовательских целей и для демонстрации новых идей, связанных с тонкими слоями и резкими границами. Но в последнее время во многих лабораториях усиленно развивается технология роста из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (РГФ МОС), также позволяющая создавать сложные многослойные структуры, в том числе сверхрешетки.

Для описания этой технологии используются различные названия, такие как «металлорганическая, или органометаллическая газофазная эпитаксия», «металлалкильная газофазная эпитаксия».

РГФ МОС представляет собой метод выращивания, в котором необходимые компоненты доставляются в камеру роста в виде газообразных металлорганических алкильных соединений (например, триметилгаллий (ТМОа) и триметиларсин (TMAs) или триэтилгал- лий (ТЕСа) и триэтилфосфин (ТЕР)), и рост слоя осуществляется при термическом разложении (пиролизе) этих газов и последующей химической реакции между возникающими компонентами на нагретой пластине-подложке.

Физические процессы,, ответственные за эпитаксиальный рост материалов, при РГФ МОС не столь ясны, как при МЛЭ. Вся цепочка химических реакций и физическая кинетика осаждения детально еще не исследованы. По-видимому, эти две методики роста имеют лишь некоторые различия, связанные главным образом с наличием в РГФ МОС высокого давления газа-носителя (Н₂ или N₂).

С помощью РГФ МОС может выращиваться большинство полупроводниковых соединений A^IIIBV, A^IIIB^VI и A^IVB^VI. Однако при росте указанных материалов дополнительные реакции между некоторыми алкилами и гидридами создают постоянную проблему поддержания в газовой фазе соотношения компонентов 1:1.

Для выращивания сверхрешеточных структур используются и другие технологии, наиболее популярными из которых являются жидкостная эпитаксия и метод горячей стенки.

Жидкостная эпитаксия представляет собой процесс выращивания монокрисгаллических слоев из пересыщенных растворов. Рост слоя достигается охлаждением жидкой фазы, контактирующей с подложкой, ниже температуры насыщения. Весь процесс включает следующие стадии:

1) приведение подложки в контакт с раствором, состав которого отвечает кривой ликвидуса выращиваемого полупроводникового соединения;

2) выращивание желаемой пленки путем охлаждения насыщеного раствора строго контролируемым образом и, наконец,

3) удаление жидкой фазы с выращенной пленки для остановки процесса роста.

При выращивании сверхрешеточной структуры эпитаксиальный процесс состоит из ряда ростовых операций, использующих различные растворы, состав которых подбирается с целью обеспечить рост требуемых слоев в сверхрешетке. Операции роста чередуются с операциями переноса подложки между различными жидкими фазами, используемыми для выращивания сверхрешетки.

Метод горячей стенки представляет собой разновидность технологии вакуумного нанесения пленок, характеризуемую тем, что рост происходит в условиях, очень близких к термодинамическому равновесию. Основной особенностью метода является наличие на- гретого экрана (горячей стенки), служащего для сосредоточения и направления на подложку испаряемого вещества). При этом исключаются потерн испаряемого материала, создается возможность поддержания высокого давления паров вещества или его различных компонент и сводится до минимума разность температур источни- ка и подложки.

Большинство сверхрешеток, исследованных до настоящего времени, были выращены методом МЛЭ. Сейчас это самая распространенная технология выращивания искусственных полупроводниковых сверхрешеточных структур. Лишь совсем недавно конкурентоспособным с МЛЭ стал метод РГФ МОС, в особенности при пониженном давлении газа.

На фоне растущего интереса к полупроводниковым сверхрешеткам возникали различные теоретические модели, позволяющие изучить природу электронных состояний в этих свсрхрешетках.

Отличие электронных свойств сверхрешеток от свойств одно- родного полупроводника связано с наличием в них дополнительного периодического потенциала. Это легко проследить на композиционных сверхрешетках типа I. где периодическая модуляция краев зон исходных полупроводников существенно меняет положения раз- решенных энергетических уровней носителей по отношению к массивному полупроволнику. В частности, континуум разрешенных электронных состояний в объеме узкозонного материала расщепляется на одномерные мини-зоны, разделенные конечными промежутками. Напротив, сверхрешетка допускает наличие состояний, которые в массивном широкозонном материале попадали бы в запрещенную зону и были затухающими.

Волновые функции сверхрешетки обычно представляют в виде линейной комбинации блоховских функций центра зоны Бриллюэна, модулированных плавными огибающими, отражающими периодичность вдоль оси сверхрешетки. Свойства этих сверхрешеточных функций играют важнейшую роль при определении интенсивностей и спектров оптического поглощения и излучательной рекомбинации. Таким образом, дополнительная периодичность приводит также к значительному различию оптических свойств сверхрешетки и однородных исходных материалов.