2.2 Легированные сверхрешетки

Термином «легированная сверхрешетка» принято называть периодическую последовательность слоев одного и того же полупроводника, легированных двумя различными способами. Донорные атомы в слоях n-типа поставляют электроны, которые связываются акцепторными атомами в слоях p-типа. Результирующее распределение заряда создает совокупность параболических потенциальных ям.

Необычные электронные свойства легированных сверхрешеток вытекают из специфического характера сверхрешеточного потенциала, который в этом случае является потенциалом ионизованных примесей в легированных слоях, в отличие от потенциала в композиционных сверхрешетках, определяемого различием ширин запрещенной зоны компонент сверхрешетки. Потенциал объемного заряда в легированных сверхрешетках модулирует края зон исходного материала таким образом, что электроны и дырки оказываются пространственно разделенными. Соответствующим выбором параметров структуры (уровней легирования и толщин слоев) это разделение можно сделать практически полным.

Одной из привлекательных черт легированных сверхрешеток является возможность использования для их создания любого полупроводника, допускающего легирование примесями как n-, так и p-типа. Чаще всего используется GaAs, получаемый методом МЛЭ, но предлагались также такие материалы, как Si, и соединения PbTe, Pb_1-x Sn_xTe или Pb_1-x Ge_xTe.

Другое характерное преимущество легированных сверхрешеток связано со структурным совершенством этих многослойных систем. Относительно малая концентрация примесей в легированных сверхрешетках, как правило 10¹⁷—10¹⁹ см^-3, вносит несущественные искажения в решетку исходного материала. Следовательно, легированные сверхрешетки не содержат типичных для композиционных сверхрешеток гетерограниц, с которыми связаны возможности разупорядочения состава или появления напряжений несоответствия.

Легированные сверхрешетки в энергетическом отношении представляют собой совокупность параболических квантовых ям. Необычные электронные свойства этого типа сверхрешеток обусловлены специфичностью сверхрешеточного потенциала. Это потенциал ионизированных примесей в легированных слоях. Это пространственный перенос заряда, а значит и формирование сверхрешеточного потенциала, приводящего к изгибу зон.

По сути, мы имеем дело с одним полупроводником, легированным с некоторой периодичностью. Рассмотрим полупроводник с модулированным профилем легирования. Легирование однородно в каждом слое, концентрации примесей равны, как и ширины слоев. Потенциал сверхрешетки в этом случае будет описываться уже известной формулой.

Потенциал легированной сверхрешетки, приводящий к параболичности квантовых ям.

Накладываясь на потенциал кристаллической решетки, он модулирует края зоны проводимости и валентной зоны (см. рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема расположения последовательности слоев и координатная зависимость зонной диаграммы для легированной сверхрешетки GaAs.

В обычных композиционных сверхрешетках слои полупроводников не легированы. В легированных сверхрешетках один или несколько слоев плупроводника легированы. Обычно широкозонный полупроводник легируют донорной пимесью. Носители заряда движутся вдоль границы гетероперехода без рассеяния на ионизированных примесях. Подвижность носителей заряда в сверхрешетках, например типа GaAs-Al_xGa_1-xAs, можно увеличить путем размещения тонких нелегированных прослоек широкозонного полупроводника между слоями GaAs и Al_xGa_1-xAs. Толщина таких слоев может достигать 5-10 нм. Экспериментальным путем был создан новый тип сверхрешеток из 10 слоев полупроводникового материала. Свойства этого типа сверхрешеток - комбинация свойств легированных сверхрешеток (перестраиваемость электронных свойств) и сверхрешеток с модулированным легированием (повышенная проводимость носителей заряда). Основной целью создания такой сверхрешетки является модифицирование свойств легированной сверхрешетки путем внедрения в нее специально нелегированных слоев полупроводникового материала с меньшей шириной запрещенной зоны, например GaAs (см.рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема последовательности слоев и координатная зависимость зонной диаграммы легированной сверхрешетки GaAs-AlxGa1-xAs.

Таким образом, обычный профиль зонной диаграммы легированной сверхрешетки видоизменяется: в нем появляются квантовые ямы, обусловленные наличием узкозонных нелегированных полупровдниковых слоев в легированной сверхрешетке. В основном состоянии системы амплитуда периодического сверхрешеточного потенциала определяется уровнем легирования и толщинами слоев легированных материалов. Кроме того, потенциалможно изменять применяя электрическое или оптическое возбуждение кристалла.