3. Применение полупроводниковых сверхрешеток в наноэлектронных устройствах

В работах по исследованию полупроводниковых сверхрешеток значительное место занимают вопросы, связанные с изучением профиля сверхрешеточной струткуры и совершенства границ гетеропереходов. Из структурных методов наибольшее распространение получили два: определение глубинного профиля концентраций элементов методом электронной оже-спектроскопии (ЭОС) в сочетании с ионным травлением и малоугловая дифракция рентгеновских лучей.

На рисунке 7 представлен экспериментальный оже-профиль состава сверхрешеточной структуры, состоящей из чередующихся слоев GaAs и Al_0,25Ga_0,75As. Толщина каждого слоя составляла 5 нм. Точками на рисунке показаны экспериментальные значения величины x в формуле Al_xGa_1-xAs. Эти значения были вычислены из отношения интенсивностей оже-пиков Al (1390 эВ) и As (1228 эВ). Профиль концентрации Al получен последовательным стравливанием поверхностнных слоев сверхрешеточной структуры ионами аргона с энергией 1,5 кэВ. Скорость травления составляла 0,3 – 1 нм/мин Постепенное уменьшение амплитуды осцилляций величины x по мере травления связано с пространственным различием скоростей травления по площади сфокусированного первичного пучка электронов.

Рисунок 7 – Оже – профиль сверхрешетки.

Важные структурные характеристики мультислойных структур можно получить из результатов малоугловой дифракции рентгеновских лучей. Для рентгенограмм многослойных структур в области малых углов отражения рентгеновских лучей (0,5° < 2q < 8°, q - угол отражения) характерно наличие дополнительных рефлексов, обусловленные периодичностью сверхрешетки. Положения этих рефлексов связаны с периодом сверхрешетки d :

 

                                                                                  

 

здесь l - длина волны излучения, n – порядок отражения.

На рисунке 8 представлена дифракционная картина в малоугловой области для сверхрешетки GaAs – AlAs, содержащей 6 периодов.Точки на этом рисунке представляют экспериментальные результаты, сплошная кривая – результат теоретических расчетов для . d = 12,72 нм. Экспериментальная и расчетная дифракционная картины очень хорошо согласуются не только по положению пиков, но и по интенсивности и ширине линий. Штриховая кривая на этом же рисунке соответствует теоретическим расчетам, при которых изменен период сверхрешетки всего на 0,28 нм, что соответствует изменению толщины всего на два атомных слоя. Отличие от экспериментальных результатов в этом случае существенно. Эти оценки свидетельствуют о возможности контроля этим методом совершенства границ и когерентности периодов с атомной точностью. В случае плавного изменения межплоскостного расстояния на границе между слоями сверхрешетки, кроме дополнительных рефлексов в малоугловой области наблюдаются сверхструктурные рефлексы (сателлитные отражения), сопровождающие основные рефлексы на рентгенограммах.

Положение сверхструктурных рефлексов также определяется периодом модуляции многослойной структуры d:

 

                                                                                                

 

Рисунок 8 – Малоугловая ренгеновская дифракционная картина для сверхрешетки GaAs – AlAs, содержащий б слоев.

где n – порядок сверхструктурного рефлекса, d* - межплоскостное расстояние основного рефлекса,   и   - угловые положения сверхструктурных рефлексов соответственно со стороны больших и меньших углов.Интенсивность и количество сверхструктурных рефлексов тем меньше, чем резче граница между слоями. Таким образом, наличие дополнительных рефлексов в малоугловой области и отсутствие сверхструктурных рефлексов, сопровождающих основные дифракционные пики, свидетельствует о совершенстве границ раздела

Идея создания полупроводниковой сверхрешетки возникла в результате поиска новых приборов с отрицательным дифференциальным электросопротивлением. При наложении внешнего электрического поля по оси сверхрешетки электроны, ускоряясь, будут увеличивать абсолютные значения z-компоненты волнового вектора. Если длина свободного пробега электронов намного больше периода сверхрешетки, то электроны, не успев рассеяться, достигнут границ сверхрешеточной зоны Бриллюэна в точках   и  , где их эффективная масса отрицательная. В этом случае дрейфовая скорость электронов будет падать с ростом приложенного электрического поля, что соответствует отрицательному электросопротивлению. Впервые отрицательное электросопротивление было обнаружено в сверхрешетке GaAs – GaAlAs.

Еще один квантовый эффект наблюдается в полупроводниковых сверхрешетках при условии, что время рассеяния электронов достаточно велико. При наложении к сверхрешетке внешнего электрического поля E электроны начнут совершать периодическое движение в минизоне, испытывая при этом брэгговское рассеяние на ее обеих границах. Частота осцилляций определяется выражением:

 

                                             .

 

Для электрического поля Е = 103 В/см и постоянной решетки d = 100 Å n = 250 ГГц.

Оптические измерения в сверхрешетках являются мощным средством изучения энергетического строения минизон, плотности состояний в них, совершенства гетерограниц и других физических характеристик сверхрешеток. Измерения оптического поглощения в сверхрешетках являются убедительным доказательством квантования энергетических уровней в этих структурах. В оптических спектрах наблюдается ряд узких экситонных пиков, разделенных горизонтальными участками, что свидетельствует о двумерном характере плотности состояний электронов в сверхрешетках.

Необычные свойства сверхрешеточных структур дают много интересных возможностей для их приборного применения. Большую группу составляют оптоэлектронные приборы, в частности, фотоприемники, светоизлучающие приборы (инжекционные лазеры и светодиоды), пассивные оптические элементы )волноводы, модуляторы, направленные ответвители и др.).

Инжекционные лазеры на гетеропереходах имеют значительные преимущества перед обычными полупроводниковыми лазерами, поскольку инжектированные носители в лазерах на гетеропереходах сосредоточиваются в узкой области. По этой причине состояние инверсной населенности носителей заряда достигается при значительно меньших плотностях тока, чем в лазере на p-n-переходе. Применение вместо одиночных гетеропереходов многослойных сверхрешеточных структур позволяет изготовить лазеры, работающие на нескольких длинах волн.

В качестве примера на рисунке 9 показано схематическое изображение структуры многоволнового лазера. В структуре имеется четыре активных слоя Al_xGa_1-xAs разного состава (x = x₁,x₂, x₃, x₄), благодаря которым лазер одновременно работает на четырех длинах волн l₁, l₂, l₃ и l₄. Активные слои отделены друг от друга промежуточными слоями Al_yGa_1-yAs (y > x₁, x₂, x₃,x₄). Для создания p-n-переходов в структуре проводилась локальная диффузия Zn. Поскольку в активных слоях мольные доли Al различны, лазерная генерация от каждого p-n-перехода возникает на разных длинах волн.

Большую группу приборов на полупроводниковых сверхрешетках составляют устройства с отрицательным дифференциальным электросопротивлением. На основе полупроводниковых сверхрешеток изготавливают также различные транзисторы. Достаточно большая частота квантовых осцилляций электронов в сверхрешетках значительно расширяет возможности изготовленных на их основе приборов СВЧ.

 

 Рисунок 9 – Схематическое изображение многоволнового лазера.