полупроводниковые свехрешетки

Реферат по сверхрешеткам ...

Введение
1. Полупроводниковые сверхрешетки. Композиционные и легированные сверхрешетки……………………………………………………………….4

В последние годы возрастает интерес исследователей , инженеров, технологов к слоистым структурам, состоящим из различных полупроводниковых (полупроводниковые сверхрешетки) или магнитных (магнитные мультислои) материалов. Полупроводниковые сверхрешетки и магнитные мультислои имеют характерные размеры слоев 10 – 1000 Å и их принято называть наноструктурами. Кроме полупроводниковых сверхрешеток и магнитных мультислоев к наноструктурам можно отнести и ряд других материалов: фуллерены, пористые кремниевые трубки, некоторые биологические объекты. Практическая значимость этих материалов для электроники и оптоэлектроники связана с быстродействием и снижением энергетических потерь, что обусловлено небольшими размерами компонент устройств на этих структурах.

Он обусловлен потенциалом ионизованных примесей в легированных слоях. Все донорные центры в легированных сверхрешетках являются положительно заряженными, а все акцепторные центры – отрицательно заряженными. Потенциал объемного заряда в легированных сверхрешетках модулирует края зон исходного материала таким образом, что электроны и дырки оказываются пространственно разделенными. Соответствующим выбором уровня легирования и толщины слоев это разделение можно сделать практически полнымВажной особенностью легированных сверхрешеток является то, что экстремумы волновых функций электронов и дырок сдвинуты относительно друг друга на половину периода сверхрешетки. Выбором параметров сверхрешетки это перекрытие можно сделать очень малым, что приводит к исключительно большим рекомбинационным временам жизни носителей тока. Это обстоятельство позволяет легко изменять концентрацию носителей тока в этих сверхрешетках.Эффективная ширина запрещенной зоны легированной сверхрешетки определяется энергетическим расстоянием между низшей подзоной проводимости и высшей валентной подзоной. Этому параметру можно придавать любое значение от нуля до ширины зоны исходного материала Eg путем соответствующего выбора уровней легирования и толщины слоев.Кроме композиционных и легированных сверхрешеток возможны и другие типы этих материалов, различающиеся споcобом создания модулирующего потенциала. В спиновых сверхрешетках легирование исходного полупроводникового материала осуществляется магнитными примесями. Периодический потенциал в таких сверхрешетках воникает при наложении внешнего магнитного поля. Потенциал сверхрешетки может создаваться также периодической деформацией образца в поле мощной ультразвуковой волны или стоячей световой волны.  Энергетическая структура полупроводниковых сверхрешетокФизические свойства полупроводниковых сверхрешеток определяются их электронным спектром.Для нахождения электронного спектра необходимо решить уравнение Шредингера для волновой функции электрона в сверхрешетки y(r) в одноэлектронном приближении, содержащее как потенциал кристаллической решетки V(r), так и потенциал сверхрешетки D(z):                          ,                           (1) Здесь z – направление, перпендикулярное поверхности сверхрешетки (ось сверхрешетки); - эффективная масса электрона; Е – полная энергия частицы.Задача решения уравнения существенно упрощается, благодаря тому, что период сверхрешетки значительно превосходит постоянную кристаллической решетки, а амплитуда потенциала сверхрешетки много меньше потенциала кристаллического поля  Поскольку потенциал сверхрешетки зависит только от координаты z, совпадающей с осью сверхрешетки, то энергетический спектр электронов в сверхрешетке резко анизотропен. На движение электронов в плоскости, перпендикулярной оси сверхрешетки ее потенциал не будет оказывать заметного влияния. В то же время, движение электронов вдоль оси z будет соответствовать движению в поле с периодом d.В общем виде дисперсионное соотношение для электрона в сверхрешетке  здесь j – номер энергетической минизоны.Используя результаты расчета зонной структуры твердого тела в модели Кронига-Пенни, можно сделать некоторые качественные выводы. Поскольку потенциал сверхрешетки периодичен, то энергетический спектр электрона в направлении оси сверхрешетки имеет зонный характер. Так как период сверхрешетки d значительно больше постоянной кристаллической решетки а, то получающиеся при этом сверхрешеточные зоны (минизоны) представляют собой более мелкое дробление энергетических зон исходных полупроводников (рис. 3). Компонента волнового вектора электрона вдоль оси сверхрешетки kz определяется в пределах первой минизоны Бриллюэна .  Рисунок 3 – Расщепление энергетической зоны E(k) кристалла с постоянной решеткой а на минизоны Еj(ki) потенциалом сверхрешетки с периодом d.Плотность электронных состояний в полупроводниковой сверхрешетке также существенно отличается от соответствующей величины в трехмерной электронной системе. На рис. 4. показана зависимость плотности электронных состяний r в сверхрешетке от энергии Е . Интервал энергии содержит три первые минизоны.Ширина каждой из этих минизон обозначена соответственно DE1, DE2 иDE3. Для сравнения на этом же рисунке приведены зависимости  для трехмерного электронного газа (кривая 2) и  (i– целое) для двумерного газа электронов (штриховая ступенчатая линия 3).Расщепление энергетической зоны полупроводника  в направлении оси сверхрешетки на ряд неперекрывающихся минизон является общим результатом для сверхрешеток разного типа. Дисперсионный закон для носителей заряда в минизонах, положение и ширина минизоны определяется конкретным типом сверхрешетки. Например, в композиционных сверхрешетках I типа дисперсия энергетических минизон для зоны проводимости в приближении сильной связи имеет следующий вид :                                                          Рисунок 4 – плотность электронных состояний в сверхрешетке.где                    ,    j = 0, 1, 2, ….                            В этих формулах dI и dII – толщина первого и второго полупроводника соответственно; - эффективная масса электрона в первом полупроводнике;  - ширина j-ой мини зоны. Соотношение представляет собой грубую оценку положения энергетической минизоны для Ec,j << Dc (Dc– потенциал сверхрешетки.Таким образом, изменяя ширину ямы для электронов dI, можно менять положение минизоны, а изменением ширины барьера dII – ширину минизоны Dc,j. Количественные оценки показывают, что для dI = 100 Å и dII =50 Å Ec,0» 50 мэВ, Dc,0» 10 мэВ.Аналогичным образом проводят расчет валентных минизон композиционных сверхрешеток. Исследование и применение полупроводниковых сверхрешетокВ работах по исследованию полупроводниковых сверхрешеток значительное место занимают вопросы, связанные с изучением профиля сверхрешеточной струткуры и совершенства границ гетеропереходов. Из структурных методов наибольшее распространение получили два: определение глубинного профиля концентраций элементов методом электронной оже-спектроскопии (ЭОС) в сочетании с ионным травлением и малоугловая дифракция рентгеновских лучей.На рис. 5 представлен экспериментальный оже-профиль состава сверхрешеточной структуры, состоящей из чередующихся слоев GaAs и Al0,25Ga0,75As. Толщина каждого слоя составляла 5 нм. Точками на рисунке показаны экспериментальные значения величины x в формуле AlxGa1-xAs. Эти значения были вычислены из отношения интенсивностей оже-пиков Al (1390 эВ) и As (1228 эВ). Профиль концентрации Al получен последовательным стравливанием поверхностнных слоев сверхрешеточной структуры ионами аргона с энергией 1,5 кэВ. Скорость травления составляла 0,3 – 1 нм/мин Постепенное уменьшение амплитуды осцилляций величины x по мере травления связано с пространственным различием скоростей травления по площади сфокусированного первичного пучка электронов.Рисунок 5 – Оже – профиль сверхрешетки. Важные структурные характеристики мультислойных структур можно получить из результатов малоугловой дифракции рентгеновских лучей. Для рентгенограмм многослойных структур в области малых углов отражения рентгеновских лучей (0,5° < 2q < 8°, q - угол отражения) характерно наличие дополнительных рефлексов, обусловленные периодичностью сверхрешетки. Положения этих рефлексов связаны с периодом сверхрешетки d :                                                                                   здесь l - длина волны излучения, n – порядок отражения.На рис. 6 представлена дифракционная картина в малоугловой области для сверхрешетки GaAs – AlAs, содержащей 6 периодов.Точки на этом рисунке представляют экспериментальные результаты, сплошная кривая – результат теоретических расчетов для . d = 12,72 нм. Экспериментальная и расчетная дифракционная картины очень хорошо согласуются не только по положению пиков, но и по интенсивности и ширине линий. Штриховая кривая на этом же рисунке соответствует теоретическим расчетам, при которых изменен период сверхрешетки всего на 0,28 нм, что соответствует изменению толщины всего на два атомных слоя. Отличие от экспериментальных результатов в этом случае существенно. Эти оценки свидетельствуют о возможности контроля этим методом совершенства границ и когерентности периодов с атомной точностью.