 |
Основные электронные свойства
|
|
|
|
Введение
Исторически первыми материалами, нашедшими применение, для создания сверхрешеток стали полупроводники. Идея создания в кристалле одномерного периодического потенциала с периодом, меньшим длины свободного пробега электрона, путем изменения легирования или состава твердого раствора, а также вывод о наличии у таких структур падающей вольт – амперной характеристики, были высказаны в 1962 году Л. В. Келдышем. Интерес же к таким структурам, названным сверхрешетками, значительно возрос в 1970 в связи с работой Есаки и Цу, где особое внимание авторы уделяют композиционным сверхрешеткам и наличию у таких «искусственных» периодических структур необычных кинетических свойств. В 1972 году Делер подробно проанализировал электронные свойства легированых сверхрешеток и предсказал ряд новых особенностей, специфичных именно для этих, так называемых nipi – кристаллов (распространенное название для полупроводниковых сверхрешеток, подразумевающее чередование областей электронной (n) и дырочной (р) проводимости с нелегированным полупроводником (i)).
Первые эксперименты на сверхрешетках проводились для изучения особенностей переноса носителей и для демонстрации квантовых свойств электронов в прямоугольных ямах, образованных краями зон в этих сверхрешетках. В ходе этих исследований было выявлено, что наличие потенциала сверхрешетки существенно меняет энергетический спектр, благодаря чему они обладают рядом интересных свойств, которые отсутствуют у обычных полупроводников. Сверхрешетки представляют уникальную возможность практически произвольным образом изменять их зонную структуру. Особенности люминесценции сверхрешеток (перестраиваемость излучаемых длин волн, экситонный характер излучения вплоть до комнатных температур, сильное подавление примесного захвата, фемтосекундная кинетика и др.) используются для создания нового поколения светоизлучающих приборов. Акустические свойства сверхрешеток характеризуются наличием селективного отражения фононов. Полупроводниковые сверхрешетки характеризуются существенно нелинейными транспортными свойствами, обусловленными наличием в их энергетическом спектре очень узких минизон. Применение сверхрешеток особенно перспективно в солнечных элементах, поскольку, варьируя параметры сверхрешетки возможно в широких пределах управлять свойствами активного слоя, в котором под действием солнечного излучения осуществляется генерация носителей заряда. Поскольку толщина отдельных слоев в сверхрешетках не превышает нескольких нанометров, их так же называют наноструктурами. Искусственно созданная периодичность позволяет в твердотельных устройствах создавать принципиально новые оптические и электрические эффекты, обусловленные тем, что в образуемых слоями ямах происходит, задаваемое их размерами квантование электронных уровней.
|
|
|
1. Сверхрешетки- понятие.
Сверхрешетками принято называть твердотельные структуры, в которых, помимо периодического потенциала кристаллической решетки, имеется дополнительный одномерный периодически потенциал, период которого существенно превышает постоянную решетки. Сверхрешетки представляют собой новый тип полупроводников, харатеризующийся наличием большого числа зон, которые обладают очень сильной анизотропией (они практически двумерны). Впервые такие системы были рассмотрены Л. В. Келдышем в 1962 г.. В сверхрешетках может быть почти подавлена электронно-дырочная рекомбинация, поэтому в течении длительных промежутков времени возможно большое отклонение от теплового равновесия. Концентрация электронов и дырок в сверхрешетках не является фиксированным параметром, определяемым легированием, а представляет собой легко перестраиваемую величину. Наличие потенциала сверхрешетки существенно меняет энергетический спектр, благодаря чему сверхрешетки обладают рядом интересных свойств, которые отсутствуют у обычных полу проводников. Параметр потенциала сверхрешетки легко изменять в широких пределах, что в свою очередь приводит к существенным изменениям энергетического спектра. Таким образом, легко можно изменять зонную структуру полупроводниковых сверхрешеток. Бурный рост как теоретического, так и экспериментального интереса к сверхрешеткам связан с последними достижениями в технологии, основанной на молекулярно-лучевой эпитаксии в ультравысоком вакууме, а также металло-органической эпитаксии из газовой фазы и других методов.
|
|
|
Типы сверхрешеток
Различают следующие виды сверхрешёток:
Композиционные сверхрешётки - эпитаксиально выращенные периодически чередующиеся тонкие слои полупроводников с различной шириной запрещённой зоны.
Энергетическая зонная диаграмма композиционной сверхрешетки первого типа 
В композиционных сверхрешетках материалы, составляющие гетероструктуру, обычно согласуются по параметру сверхрешетки или же при его первоначальном отсутствии за счет деформации слоев так, что периодичность структуры сохраняется. Расчет однородных полупроводниковых структур всегда ведется с учетом периодичности, основным образующим элементом которой является элементарная ячейка кристалла.
Легированные сверхрешётки - периодический потенциал образуется путём чередования ультратонких слоёв n- и p-типов полупроводника, которые отделяются друг от друга нелегированными слоями.
Энергетическая зонная диаграмма легированной сверхрешетки 
Отличие легированных сверхрешеток от композиционных состоит в том, что здесь мы имеем дело с однородным материалом, на который наложен лишь периодический модулирующий потенциал сверхрешетки.
Спиновые сверхрешётки - образованные периодическим чередованием слоёв одного и того же полупроводника. Одни слои легируются немагнитными примесями, а другие — магнитными. Без магнитного поля энергетическая щель во всей сверхрешётке постоянна, периодический потенциал возникает при наложении магнитного поля.
|
|
|
Сверхрешётки, сформированные в двумерном электронном слое (например в системе МДП:металл-диэлектрик-полупроводник) путём периодической модуляции плоскости поверхностного заряда.
Сверхрешётки, потенциал в которых создаётся периодической деформацией образца в поле мощнойультразвуковой или стоячей световой волны.
Основные электронные свойства
Для сверхрешеток характерна резкая анизотропия важнейших электронных свойств, в первую очередь кинетических коэффициентов и внутризонных оптических характеристик, где полосы интенсивного межминизонного поглощения существуют лишь для света, поляризованного вдоль оси С. Последнее обстоятельство позволяет использовать сверхрешетки в качестве фильтров и поляризаторов ИК-излученпя. Эффекты межминизонного поглощения находят применение в ИК-фосоприёмниках с диапазоном спектральной чувствительности, зависящим от параметров потенциала V(r). Из-за малой ширины минизон нелинейные эффекты в проводимости вдоль оси проявляются при значительно меньших напряжённостях электричического поля, чем в однородных кристаллах. Это позволяет использовать сверхрешетки для нелинейного преобразования СВЧ-сигналов (генерация высших гармоник и комбинац. частот, самоиндуциров. прозрачность и др.). В постоянном электрическом поле, параллельном оси С., вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет падающие N-образные участки. Благодаря их наличию сверхрешетки можно использовать в качестве генератора и усилителя электро-магнитных колебаний, частота которых может перестраиваться в широких пределах изменением электрического поля. Сверхрешёточные гетероетруктуры находят применение также в лавинных фотодиодах. Благодаря различию в разрывах зоны проводимости и валентной зоны на гетерогранице, коэффициенты умножения электронов и дырок могут резко различаться, что способствует снижению шумов при лавинном умножении.
|
|
|
Заключение
В последние годы возрастает интерес исследователей, инженеров, технологов к слоистым структурам, состоящим из различных полупроводниковых материалов, и имеющим характерные размеры слоев 10–1000 Å - сверхрешеткам. Практическая значимость этих материалов для электроники и оптоэлектроники связана с повышением быстродействия и снижением энергетических потерь.
Для фундаментальной науки наноструктуры представляют интерес как совершенно новые типы искусственных материалов с необычными физическими свойствами. Важно и то, что современные технологии позволяют получать наноструктуры с заданными физическими свойствами, путем конструирования этих материалов на атомном уровне. В свою очередь, интерес к наноструктурам стимулирует развитие современных технологий, в первую очередь молекулярно-лучевой эпитаксии и эпитаксии из металлоорганических соединений, и методов контроля состава и структуры поверхности на атомном уровне.
Список литературы
1. Кособудский И.Д., Симаков В.В., Ушаков Н.М., Юрьев Г.Ю. Физическая химия наноразмерных объектов: композиционные материалы / Саратов: Сар. техн. ун-т. 2009.-203с. ISBN 5-7433-1736-4
2.. Рощин, В.М. Технология материалов микро- опто- и наноэлектроники /М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010.-180с. ISBN 978-5-94774-913-7
3. А. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Чл.-корр. РАН Ю.А. Чаплыгина. М.: ТЕХНОСФЕРА. 2005.-448с. ISBN 5-94836-059-8
|
|
|
