§ 7.8. Сверхрешетки

Современная технология позволяет выращивать совершенные структуры полупроводников толщиной в 1—5 нм. Сверхтонкие слои обладают особыми физическими свойствами. Из таких слоев можно создать твердотельные многослойные структуры, в которых

156

помимо периодического потенциала кристаллической решетки возникает дополнительный, искусственно созданный периодический потенциал с периодом, на порядок или более превышающим посто-янную решетки. Такие структуры называют сверхрешетками.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в сверхрешетках. Энергетический спектр электронов в твердом теле определяется структурой кристаллической решетки этого тела. Если в криталле создать встроенный периодический потенциал, то при определенных условиях поведение электрона в такой структуре будет определяться уже не свойствами исходного кристалла, а параметрами искусственно созданного потенциала. Изменяя амплитуду потенциала, его форму, период, можно в определенных пределах управлять зонным спектром — получать полупроводники с заданными параметрами разрешенных и запрещенных зон и эффективных масс электронов и дырок. Современная технология позволяет пока создавать лишь одномерные решетки.

Для создания сверхрешеток используют невырожденные полупроводники с малой концентрацией электронов и дырок. В таких полупроводниках поведение электронов определяется только харакром дополнительного потенциала, даже если его величина составют десятые доли электрон-вольта. Действие сверхрешеточного по­пинала будет проявляться в том случае, если период сверхрешетки намного меньше длины свободного пробега электронов. В предельном случае длина свободного пробега должна быть больше няти периодов сверхрешетки. В чистых полупроводниках длина свободного пробега электронов не превышает нескольких сотен намометров, поэтому период сверхрешетки должен быть равен не более, чем нескольким десяткам нанометров.

Новые разрешенные и запрещенные зоны, возникающие в результате действия дополнительного потенциала, получили название "мини-зон».

В зависимости от способа воздействия, приводящего к возниккает в кристалле модулирующего потенциала, сверхрешетки

делят на статические и динамические. В статических модулирующий потенциал не может быть существенно изменен после изготоления. В динамических сверхрешетках мини-зонный спектр возникает в те моменты, когда на структуру накладывается какоелибо внешнее воздействие (свет, ультразвук). В таких сверхрешетках имеются большие возможности управления параметрами минизонного спектра в процессе эксплуатации приборов.

Статические сверхрешетки можно получить, изменяя в процесе роста монокристаллов концентрацию, тип примеси. Если ширина

области пространственного заряда меньше толщины слоев, то область пространственного заряда распространяется на всю структуру электрический потенциал периодически будет меняться вдолль ее оси. Если длина слоев больше периода структуры, возникнет сверхрешетка, в которой параметры модулирующего потенциала определяются концентрацией и природой легирующей примеси. Амплитуда модулирующего потенциала может достигать и превышать

157

ширину запрещенной зоны. В этих случаях происходит перекрытие валентной зоны и зоны проводимости.

Динамические сверхрешетки получают, возбуждая в кристалле мощную оптическую стоячую волну. Если энергия волны меньше ширины запрещенной зоны, то электромагнитное поле, максималь­ное в пучностях и минимальное в узлах, должно привести к периодическому фотовозбуждению электронов па примесных уровнях.

В зоне проводимости возникают периодические дополнительные концентрации с периодом, равным половине длины оптической вол­ны. Неоднородное распределение носителей заряда вызовет возникновение периодического потенциала с периодом в половину длины световой волны. Амплитуда этого потенциала определяется интепсивиостыо излучения, возбуждающего примесные центры.

Практически сверхрешетки создаются на гетероструктурах. Основным методом получения сверхрешеток является эпитаксия. Л. Исаки предложил и изготовил сверхрешетку, состоящую из си­стемы гетеропереходов с различным химическим составом, который менялся в процессе изготовления. Энергия электронов в разрешен­ных зонах относительно уровня энергии свободного электрона в та­кой структуре будет периодически изменяться в направлении роста» поэтому края зон будут деформироваться. При резком изменении состава модулирующий потенциал имеет прямоугольную форму; если химический состав менять плавно, можно получить потенциал любой формы. Свойства сверхрешеток наблюдаются только при условии пренебрежимо малого влияния границ раздела между слоями (идеальные гетероструктуры).

Свойства реальной сверхрешетки определяются не столько характером и амплитудой модулирующего потенциала, сколько приближением гетеросистемы к идеальной. Последнее зависит от различия в величине постоянной решетки, в коэффициенте теплового расширения и наличия взаимодействия примесей и дефектов. Гетероструктуры, созданные на основе соединений AlAs—GaAs, AlSb—GaSb, CdTe—НgTe, удовлетворяют указанным требованиям. Па установке Исаки получены периодические структуры на основе системы Ga_1-х AІх As с числом периодов 40—100, при этом каждый период состоял из слоя GaAs толщиной 6 им и слоя Al_0,5 Ga_0,5 As толщиной 1 нм.

Сверхрешетки встречаются в природе. Примерами могут служить сплавы некоторых благородных металлов, слоистые полупроводники и политичные полупроводниковые структуры. Сплав медь— золото, например, имеет гранецентрированную кубическую решетку (рис. 7.22), причем структура кристалла меняется через каждые пять элементарных ячеек. Такая структура представляет собой сверхрешетку с постоянной решетки, равной 10. Поскольку этот сплав — металл, то сверхструктура на энергетическом спектре электрона практически не проявляется.

У слоистых полупроводников (соединения A¹¹¹B^VI) атомы внут­ри слоев толщиной в несколько постоянных решетки связаны меж­ду собой прочными химическими связями, а слон связаны между

158

собой значительно более слабыми связями. Типичным слоистым полупроводником является селенид галлия GaSe. Каждый атом галлия связан ковалентными связями с тремя атомами селена и одним атомом галлия, образуя слои. Электроны движутся внутри слоев, так как движение между слоями затруднено, поэтому можно ожидать, что в такой решетке при определенных условиях могут про­являться свойства сверхрешетки.

Особенность слоистых структур заключается в том, что слон можно раздвинуть на некоторое расстояние путем внедрения в межслосвые промежутки молекул с размерами, превышающими расстояние между слоями, например молекул ТаS, MoS₂, имеющих слоистую структуру, аналогичную структуре селенида галлия.

Примером политипного по­ лупроводника служит карбид кремния. Элементарной ячей­ кой структуры карбида крем­ ния является тетраэдр. Разно­ образие кристаллических структур карбида кремния, об­ ладающих близкими парамет­ рами решетки, объясняется различной упаковкой этих тет­ раэдров. В процессе выращи­ вания кристаллов карбида кремния вследствие изменения температуры выращивания ли­ бо давления в решетке могут

образоваться слои с разной упаковкой тетраэдров. Если же искусственно изменять параметры процесса роста кристаллов, то мож­но из определенной модификации карбида кремния получать дру­гие его модификации, у которых период «сверхпериодичности» может изменяться в пределах от 10 до 1000 постоянных решетки. Энергия образования встроенных слоев отличается от энергии образования основной кристаллической решетки, поэтому в решетке создастся дополнительный периодический потенциал. Величина этого потенциала может достигать 0,8 эВ и может сильно влиять на физические свойства карбида кремния. Некоторые свойства, характерные для сверхрешеток, у карбида кремния наблюдались экспериментально.

Перспективы применения сверхрешеток огромны. При определенных условиях сверхрешетки могут проявлять отрицательную дифференциальную проводимость, что можно использовать для приборов с практически неограниченной частотой генерации и уси­ления электромагнитных колебаний, порядка 10¹³ Гц. Сверхрешетки могут быть использованы для создания квантовых усилителей электромагнитных волн и генераторов с управляемой с помощью напряжения частотой генерации, а также приемников инфракрасного излучения, работающих при номинальной температуре поряд­ка 20° С, умножителей частоты и т. п.

159