Гетеропереход

ГЕТЕРОПЕРЕХОД, контакт двух различных по химическому составу материалов, осуществлённый с образованием единой кристаллической решётки. Практически важны совершенные (идеальные) гетеропереходы, свойства которых определяются внутренними свойствами составляющих материалов, а не дефектами границы раздела (гетерограницы) или примесями.

Способы получения. Гетеропереходы получают с использованием методов выращивания материалов на монокристаллических подложках. К таким методам относятся жидкофазная эпитаксия, эпитаксия из молекулярных пучков и газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (смотри Эпитаксия). Эти технологии обеспечивают высокую чистоту как составляющих гетероперехода материалов, так и их гетерограниц. Первоначально под гетеропереходом понимались исключительно полупроводниковые гетеропереходы, сформированные из материалов с родственной кристаллической решёткой и совпадающим параметром решётки. Исторически первым совершенным гетеропереходом стал гетеропереход GaAs - твёрдый раствор Al_хGa_1-хAs.  Позднее термин «гетеропереход» стал распространяться и на гетеропереходы между полупроводниками и диэлектриками. Совершенствование методов вакуумного напыления привело к устранению влияния промежуточных фаз и примесей, и свойства контакта металл-полупроводник стали также рассматриваться в рамках единой с полупроводниковыми гетеропереходами модели.

В случае использования сверхтонких слоёв, даже с сильно различающимися параметрами решётки, связи в кристаллической решётке гетероперехода могут сохраняться за счёт возникновения в слое упругих напряжений. При этом появляется дополнительная возможность управления свойствами гетероперехода. Более того, современные 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 гетероперехода определяются эффектами размерного квантования, что расширяет спектр физических свойств гетероперехода и их практических применений.

Структура энергетических зон. Наиболее важным параметром гетероперехода является величина разрыва энергетических зон Δξ. Каждый из полупроводников, входящих в гетеропереход, 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 гетероперехода возможны три основных случая (рисунок).

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

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

3. Гетеропереходы с перекрывающимися зонами. Это особый тип гетеропереходов, 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 гетероперехода соответствует структуре зон полуметалла, но с пространственно разделёнными слоями равновесных электронов и дырок.

Современные теории гетероперехода в основном 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 энергетических уровней, что и определяет величины разрывов зон. В простой модели, зная, например, для двух различных полупроводников величины Шоттки барьеров между каждым из них и одним и тем же металлом, можно качественно оценить величину разрыва зоны проводимости соответствующего полупроводникового гетероперехода. Модели, позволяющие точно определять величины разрывов зон на гетеропереходе, пока не построены.

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

Разрыв в зоне проводимости гетероперехода 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. Гетеропереходы второго рода позволяют создавать излучатели и детекторы с малой энергией фотона на основе материалов со сравнительно большой шириной запрещённой зоны и др.

Лит.: Shchukin V. А., Ledentsov N.N., Bimberg D. Epitaxy of nanostructures. N. Y., 2004. Смотри также литературу при статье Гетеролазер.