Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Оптоэлектронные микро- и наноструктуры». Свистова Т.В

В идеальном гетеропереходе, в отличие от неидеального, на границе раздела материалов отсутствуют локальные энергетические состояния для электронов. Гетеропереход с промежуточным слоем формируется через слой конечной толщины, и локальные энергетические состояния могут существовать как в самом промежуточном слое, так и на границах его раздела.

Энергетическая диаграмма идеального гетероперехо-

да. Для построения энергетической диаграммы часто применяют простое «правило электронного сродства» (в англоязычной литературе – правило Андерсона), согласно которому разрыв зоны проводимости равен разности электронного сродства двух материалов. Но следует иметь в виду, что данный подход далеко не всегда справедлив, так как разрыв зон зависят еще и от деталей формирования связей на гетерогранице и деформационного потенциала.

Для построения энергетической диаграммы идеального гетероперехода должны быть известны следующие характеристики полупроводников:

-ширина запрещенной зоны (Eg1, Eg2). При построении

считаем, что Eg2 > Eg1;

-термодинамическая работа выхода (Ф1, Ф2) – расстояние от уровня Ферми полупроводника до уровня вакуума. Следует учитывать, что термодинамическая работа выхода зависит от положения уровня Ферми, то есть от уровня легирования материала;

-сродство к электрону (χ1, χ2) – расстояние от дна зоны проводимости до уровня вакуума.

При построении диаграммы считаем, что

-ширина запрещенной зоны и внешняя работа выхода неизменны до плоскости контакта, на которой они скачком изменяют свою величину;

-в приконтактном слое каждого из полупроводников происходит изменение потенциальной энергии электрона.

19

Полное изменение потенциальной энергии равно разности работ выхода, что обеспечивает неизменное положение уровня Ферми вдоль гетероперехода.

До «приведения в контакт» двух полупроводников потенциальная энергия электронов в них разная из-за разной термодинамической работы выхода. При «соприкосновении» двух полупроводников, как и в случае обычного p-n-перехода, электроны начнут «переходить» из полупроводника с меньшей работой выхода в полупроводник с большей. Это будет происходить до тех пор, пока диффузионный ток не будет скомпенсирован дрейфовым током носителей заряда под воздействием поля, созданным избыточными носителями. При этом возникнет контактная разность потенциалов

и образуется область пространственного заряда шириной d

(рис. 2.1).

При таком построении видно, что из-за различия электронного сродства в контактирующих полупроводниках дно зоны проводимости первого полупроводника выходит на плоскость контакта в точке, не совпадающей в общем случае с точкой выхода на эту плоскость дна зоны проводимости второго полупроводника – формируется разрыв зоны проводимости ∆Ec. Он равен

Аналогично формируется и разрыв валентной зоны. Он равен:

20

Рис. 2.1. Энергетические диаграммы полупроводников (а) и диаграмма идеального гетероперехода (б)

Следует заметить, что разрывы зон могут быть как положительными, так и отрицательными. Можно выделить следующие разновидности гетеропереходов:

1)охватывающий переход возникает, когда разрыв зоны проводимости ∆Ec и разрыв валентной зоны ∆Ev положительны. Такой случай реализуется, например, в гетеропереходе GaAs - AlGaAs. В литературе данный тип гетероперехода называют гетеропереходом I типа, или стандартным.

2)в случае же, когда один из разрывов зон положителен, а другой отрицателен - говорят о переходе II типа, или ступенчатом. Данный случай реализуется в гетеропереходе

InP - In0,52Al0,48As.

3)также возможен вариант, когда запрещенные зоны

вообще не перекрываются по энергии. Данный гетеропереход

21

называет гетеропереходом III типа или разрывным гетеропереходом. Классический пример – гетеропереход InAs - GaSb.

Экспериментально измеренные параметры основных типов гетеропереходов изображены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Экспериментально определенные разрывы валентной зоны и зоны проводимости двух наиболее близких

по параметрам решетки гетеропар:

а) In0.53Ga0.47As - In0.52Al0.48As - In0.53Ga0.47As - InP

и б) InAs-GaSb-AlSb

22

Для характеристики гетероперехода также применяют параметр Q, показывающий долю разрыва зоны проводимости или разрыва валентной зоны от разности Eg2− Eg1.

Для построения энергетической диаграммы конкретного гетероперехода, нужно вычислить контактную разность потенциалов φ0. Для этого необходимо сначала рассчитать положение уровня Ферми в каждом из материалов гетеропары.

Для вычисления положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимости (µ = F - Ec) потребуется знать температуру, концентрацию основных носителей и плотность состояний в зонах Nc и Nv.

Для невырожденного примесного полупроводника n- типа положение уровня Ферми относительно зоны проводимости находится из выражения

для дырочного:

где Na, Nd – концентрации акцепторов и доноров, которые мы считаем полностью ионизованными.

В справочниках обычно приведены величины эффективных масс плотности состояний для электронов mdn и дырок mdp. Тогда Nc и Nv вычисляются по формулам

23