5.13. Гетеропереходы

В отличие от p-n перехода, образованного изменением типа примеси в одном полупроводниковом материале (гомопереход), гетеропереходом называют переход, образо­ванный полупроводниками различной физико-химической при­роды, т.е. полупроводниками с различной шириной запрещен­ной зоны. Примерами гетеропереходов могут быть переходы германий – кремний, германий – арсенид галлия, арсенид гал­лия – фосфид галлия и др.

Для получения гетеропереходов с минимальным числом де­фектов на границе раздела кристаллическая решетка одного по­лупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого. В связи с этим полупровод­ники, используемые для создания гетеропереходов, должны иметь идентичные кристаллические структуры и близкие значе­ния постоянной решетки. Гетеропереходы, образованные полу­проводниками с различной шириной запрещенной зоны, возмож­ны не только как переходы между полупроводниками p- и n-типа, но также и между полупроводниками с одним типом электропро­водности: р⁺-р или n⁺-n.

Рассмотрим энергетическую (зонную) диаграмму гетероперехо­да между полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником p-типа с узкой запрещенной зоной (рисунок 5.88). На рисунке 5.88,а показаны энергетические диаграммы исходных полу­проводников. За начало отсчета энергии (нуль) принята энергия электрона, находящегося в вакууме. Величины ₁ и ₂ обозначают термодинамические работы выхода электрона (от уровня Ферми), а ₁ и ₂ – внешние работы выхода из полупроводника в вакуум, на­зываемые электронным сродством полупроводников (от границы зоны проводимости).

При создании контакта между двумя полупроводниками уровни Ферми совмещаются (выравниваются). Это должно (в отличие от энергетической диаграммы гомоперехода) привести к появлению разрывов в зоне проводимости Еc и в валентной зоне Еv, как пока­зано на рисунке 5.88,б. В зоне проводимости величина разрыва обу­словлена разностью истинных работ выхода электронов из р- и n-полупроводников:

c = ₂ – ₁ ,

а в валентной зоне кроме этого – еще и неравенством значений энергии Е_V . Поэтому потенциальные барьеры для электронов и ды­рок будут различными: потенциальный барьер для электронов в зо­не проводимости меньше, чем для дырок в валентной зоне.

а) б)

Рисунок 5.88 - Зонная структура (а) и энергетическая диаграмма (б) гетероперехода

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшится и электроны из n-полупроводника инжек­тируются в р-полупроводник. Потенциальный барьер для дырок в р-области также уменьшится, но все же остается достаточно большим, так что инжекция дырок из р-области в n-область прак­тически отсутствует.

В гомопереходах отношение токов инжекции дырок и электронов можно изменить, только делая различными концентрации основных носителей в областях, т.е. различными концентрации примесей. Ес­ли концентрация акцепторов в р-области много больше концентра­ции доноров в n-области (N_а >> N_д), то и ток инжекции дырок I_p будет много больше тока инжекции электронов I_n (I_p >> I_n). Во многих при­борах, использующих р-n-переходы, например, в биполярных тран­зисторах, требуется сильная асимметрия токов. Однако увеличению концентрации примесей (в нашем случае акцепторов) есть техноло­гический предел, связанный с наличием предельной концентрации примесей, которую можно ввести в полупроводник («предельная растворимость»). Кроме того, с увеличением концентрации приме­сей одновременно появляется большое число дефектов, ухудшаю­щих параметры р-n-перехода.

Гетеропереходы позволяют исключить эти недостатки гомопе­рехода и получить практически одностороннюю инжекцию носите­лей заряда даже при одинаковых концентрациях примесей в облас­тях. Однако серьезной проблемой на пути реализации преимуществ гетеропереходов является наличие технологических трудностей создания бездефектной границы в гетеропереходах.

Кроме реализации СВЧ биполярных транзисторов гетеропереходы в полевых транзисторах с управляющим барьером Шоттки позволяют освоить частотный диапазон до 300 ГГц. Другим важным примером использования гетероструктур являются инжекционные лазеры. Благодаря односторонней инжекции, а также различию в коэффициентах отражения, способствующих концентрации излучения внутри оптически более плотного среднего слоя структуры, гетеропереходы по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший КПД, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.