ГЕТЕРОПЕРЕХО́Д

ГЕТЕРОПЕРЕХО́Д, кон­такт двух раз­лич­ных по хи­мич. со­ста­ву ма­те­риа­лов, осу­ще­ст­в­лён­ный с об­ра­зо­ва­ни­ем еди­ной кри­стал­лич. ре­шёт­ки. Прак­ти­че­ски важ­ны со­вер­шен­ные (иде­аль­ные) Г., свой­ст­ва ко­то­рых оп­ре­де­ля­ют­ся внутр. свой­ст­ва­ми со­став­ляю­щих ма­те­риа­лов, а не де­фек­та­ми гра­ни­цы раз­де­ла (ге­те­ро­гра­ни­цы) или при­ме­ся­ми.

Способы получения

Зонные диаграммы гетеропереходов: а – первого рода; б – второго рода; в – с перекрывающимися зонами. Формирование электронно-дырочного (e–h) канала в последнем случае показано ...

Г. по­лу­ча­ют с ис­поль­зо­ва­ни­ем ме­то­дов вы­ра­щи­ва­ния ма­те­риа­лов на мо­но­кри­стал­лич. под­лож­ках. К та­ким ме­то­дам от­но­сят­ся жид­ко­фаз­ная эпи­так­сия, эпи­так­сия из мо­ле­ку­ляр­ных пуч­ков и га­зо­фаз­ная эпи­так­сия из ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний (см. Эпи­так­сия). Эти тех­но­ло­гии обес­пе­чи­ва­ют вы­со­кую чис­то­ту как со­став­ляю­щих Г. ма­те­риа­лов, так и их ге­те­ро­гра­ниц. Пер­во­на­чаль­но под Г. по­ни­ма­лись ис­клю­чи­тель­но по­лу­про­вод­ни­ко­вые Г., сфор­ми­ро­ван­ные из ма­те­риа­лов с род­ст­вен­ной кри­стал­лич. ре­шёт­кой и сов­па­даю­щим па­ра­мет­ром ре­шёт­ки. Ис­то­ри­че­ски пер­вым со­вер­шен­ным Г. стал Г. GaAs – твёр­дый рас­твор Al_xGa_1–xAs. Позд­нее тер­мин «Г.» стал рас­про­стра­нять­ся и на Г. ме­ж­ду по­лу­про­вод­ни­ка­ми и ди­элек­три­ка­ми. Cо­вер­шенствование ме­то­дов ва­ку­ум­но­го на­пы­ле­ния при­ве­ло к уст­ра­не­нию влия­ния про­ме­жу­точ­ных фаз и при­ме­сей, и свой­ст­ва кон­так­та ме­талл – по­лу­про­вод­ник ста­ли так­же рас­смат­ри­вать­ся в рам­ках еди­ной с по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми Г. мо­де­ли.

В слу­чае ис­поль­зо­ва­ния сверх­тон­ких сло­ёв, да­же с силь­но раз­ли­чаю­щи­ми­ся па­ра­мет­ра­ми ре­шёт­ки, свя­зи в кри­стал­лич. ре­шёт­ке Г. мо­гут со­хра­нять­ся за счёт воз­ник­но­ве­ния в слое уп­ру­гих на­пря­же­ний. При этом по­яв­ля­ет­ся до­пол­нит. воз­мож­ность управ­ле­ния свой­ст­ва­ми Г. Бо­лее то­го, совр. ме­то­ды эпи­так­си­аль­но­го вы­ра­щи­ва­ния с ис­поль­зо­ва­ни­ем эф­фек­тов са­мо­ор­га­ни­за­ции на по­верх­но­сти кри­стал­лов по­зво­ля­ют по­лу­чать и трёх­мер­ные объ­ек­ты сверх­ма­лых раз­ме­ров – на­но­ге­те­ро­пе­ре­хо­ды. В этом слу­чае свой­ст­ва од­но­го или обо­их ком­по­нен­тов Г. оп­ре­де­ля­ют­ся эф­фек­та­ми раз­мер­но­го кван­то­ва­ния, что рас­ши­ря­ет спектр фи­зич. свойств Г. и их прак­тич. при­ме­не­ний.

Структура энергетических зон

Наи­бо­лее важ­ным па­ра­мет­ром Г. яв­ля­ет­ся ве­ли­чи­на раз­ры­ва энер­ге­тич. зон Δℰ. Ка­ж­дый из по­лу­про­вод­ни­ков, вхо­дя­щих в Г., ха­рак­те­ри­зу­ет­ся оп­ре­де­лён­ной ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны, раз­де­ляю­щей ва­лент­ную зо­ну и зо­ну про­во­ди­мо­сти и обу­слов­ли­ваю­щей про­зрач­ность ма­те­риа­ла для фо­то­нов с энер­ги­ей, мень­шей этой ши­ри­ны. В за­ви­си­мо­сти от от­но­си­тель­но­го рас­по­ло­же­ния дна зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны на гра­ни­це Г. воз­мож­ны три осн. слу­чая (рис.).

1. Г. пер­во­го ро­да, ко­гда скач­ки по­тен­ци­аль­ных барь­е­ров для элек­тро­нов и ды­рок сим­мет­рич­ны. Ти­пич­ный при­мер: GaAs–(Al,Ga)As.

2. Г. вто­ро­го ро­да, или «сту­пен­ча­то-сдви­ну­тые» Г., ко­гда скач­ки по­тен­ци­аль­ных барь­е­ров для элек­тро­нов и ды­рок раз­но­на­прав­ле­ны. При­ме­ры: InP–(Al,In)As, GaAs–GaSb, Si–Ge.

3. Г. с пе­ре­кры­ваю­щи­ми­ся зо­на­ми. Это осо­бый тип Г., ха­рак­те­ри­зую­щий­ся на­ли­чи­ем на гра­ни­це элек­трон­но-ды­роч­ной плаз­мы, обу­слов­лен­ной пе­ре­рас­пре­де­ле­ни­ем элек­тро­нов ме­ж­ду за­пол­нен­ны­ми со­стоя­ния­ми ва­лент­ной зо­ны од­но­го по­лу­про­вод­ни­ка и сво­бод­ны­ми со­стоя­ния­ми зо­ны про­во­ди­мо­сти дру­го­го, рас­по­ло­жен­ны­ми при мень­ших энер­ги­ях. Та­кой тип Г. со­от­вет­ст­ву­ет струк­ту­ре зон по­лу­ме­тал­ла, но с про­стран­ст­вен­но раз­де­лён­ны­ми слоя­ми рав­но­вес­ных элек­тро­нов и ды­рок.

Совр. тео­рии Г. в осн. скло­ня­ют­ся к еди­ной при­ро­де кон­так­та по­лу­про­вод­ник – по­лу­про­вод­ник и ме­талл – по­лу­про­вод­ник. Пред­по­ла­га­ет­ся, что су­ще­ст­вен­ную роль в вы­страи­ва­нии зон по­лу­про­вод­ни­ка иг­ра­ют эф­фек­ты, свя­зан­ные со сме­ще­ни­ем ва­лент­ных элек­тро­нов на ге­те­ро­гра­ни­це. Ми­ни­ми­за­ция пе­ре­рас­пре­де­ляю­ще­го­ся за­ря­да реа­ли­зу­ет­ся при сов­па­де­нии ха­рак­тер­ных для ка­ж­до­го из по­лу­про­вод­ни­ков вир­ту­аль­ных энер­ге­тич. уров­ней, что и оп­ре­де­ля­ет ве­ли­чи­ны раз­ры­вов зон. В про­стой мо­де­ли, зная, напр., для двух разл. по­лу­про­вод­ни­ков ве­ли­чи­ны Шотт­ки барь­е­ров ме­ж­ду ка­ж­дым из них и од­ним и тем же ме­тал­лом, мож­но ка­че­ст­вен­но оце­нить ве­ли­чи­ну раз­ры­ва зо­ны про­во­ди­мо­сти со­от­вет­ст­вую­ще­го по­лу­про­вод­ни­ко­во­го Г. Мо­де­ли, по­зво­ляю­щие точ­но оп­ре­де­лять ве­ли­чи­ны раз­ры­вов зон на Г., по­ка не по­строе­ны.

Раз­ры­вы в зо­не про­во­ди­мо­сти и ва­лент­ной зо­не и раз­ли­чия в ве­ли­чи­нах эф­фек­тив­ных масс элек­тро­нов и ды­рок, ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стях, фо­нон­ных час­то­тах и пр. при­во­дят к по­яв­ле­нию у Г. ка­че­ст­вен­но но­вых свойств, от­сут­ст­вую­щих у ис­ход­ных ком­по­нен­тов и по­зво­ляю­щих це­ле­на­прав­лен­но кон­ст­руи­ро­вать но­вые ти­пы оп­то- и мик­ро­элек­трон­ных при­бо­ров.

Раз­рыв в зо­не про­во­ди­мо­сти Г. по­зво­ля­ет по­лу­чать: од­но­сто­рон­нюю ин­жек­цию элек­тро­нов из од­но­го ма­те­риа­ла в дру­гой; вы­со­кие ко­эф­фи­ци­ен­ты уси­ле­ния в тран­зи­сто­рах; ин­вер­сию на­се­лён­но­стей в уз­ко­зон­ном ма­те­риа­ле с ис­поль­зо­ва­ни­ем сла­бо­ле­ги­ро­ван­ных ши­ро­ко­зон­ных ин­жек­тор­ных сло­ёв. Г. вто­ро­го ро­да по­зво­ля­ют соз­да­вать из­лу­ча­те­ли и де­тек­то­ры с ма­лой энер­ги­ей фо­то­на на ос­но­ве ма­те­риа­лов со срав­ни­тель­но боль­шой ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны и др.