Полупроводниковые гетероструктуры что это

4. 3. 028 Гетероструктуры Алфёрова

4.3.028 Гетероструктуры Алфёрова

Физик, инженер, лектор, педагог, общественный и государственный деятель; профессор ЛЭТИ, ЛПИ, ректор СПбГЭТУ; академик, председатель президиума СПб научного центра РАН, вице-президент АН СССР (РАН); член тридцати Национальных АН, научных сообществ; почетный доктор и профессор 40 отечественных и зарубежных научно-образовательных учреждений; глава научной школы; директор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе; научный руководитель инновационного центра в Сколково; главный редактор журнала «Письма в Журнал технической физики»; кавалер орденов Октябрьской Революции, Ленина, «Знак Почета», Трудового Красного Знамени, «3a заслуги перед Отечеством» четырех степеней, а также многих других орденов и медалей СССР, России и других государств; лауреат Ленинской премии, Нобелевской премии по физике за 2000 г. (вместе с Г. Крёмером), премии Балантайна института Франклина (США) и других премий; народный депутат СССР, депутат ГД ФС РФ — Жорес Иванович Алфёров (род. 1930) является основоположником нового направления — физики гетероструктур, оптоэлектроники и электроники на их основе.

Здесь перечислена лишь часть забот и наград академика, но нас интересует в первую очередь главное научное достижение Ж.И. Алфёрова, за которое он был удостоен благодарности человечества и самых почетных премий, в т.ч. Нобелевской по физике (2000) — «за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники».

Гетероструктурой в физике полупроводников называют выращенную на основном материале (подложке) слоистую структуру из различных полупроводников, отличающихся физико-энергетическими характеристиками материалов: шириной запрещенных зон, положением потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. В месте контакта двух различных полупроводников формируется т.н. гетеропереход с повышенной концентрацией носителей, который, собственно, и используется затем в электронике.

Полупроводниковые гетероструктуры, полученные Алфёровым и его сотрудниками в результате фундаментальных исследований в области полупроводников, чрезвычайно интересные с научной точки зрения, нашли широчайшее применение в современной технике.

По одним только своим габаритам, они не идут ни в какое сравнение с традиционными радиосхемами. Слои полупроводников, имеющие толщину в несколько атомов, представляют собой крохотные кристаллики, рядом с которыми резисторы, конденсаторы, лампы выглядят мастодонтами. Скажем, размеры активного элемента полупроводникового лазера колеблются в диапазоне от 50 мкм до 1 мм.

Эти структуры идут для изготовления электронных устройств — лазерных диодов, на которых основана работа современных компьютеров, интернета, сотовой связи, лазерных компакт-дисков, устройств, декодирующих товарные ярлыки, лазерных указок, спутниковых антенн, систем космической связи.

На основе гетероструктур работают мощные светодиоды, используемые в светофорах, лампах тормозного освещения в автомобилях, дисплеях.

Появление гетерогенных структур привело к созданию производства солнечных батарей — основы будущей солнечной энергетики, которая, по мнению Алфёрова, «к концу XXI столетия, если не раньше, в значительной степени заменит атомные и тепловые электростанции».

Надо сказать, что это открытие первыми поспешили использовать зарубежные инженеры и предприниматели, но это не вина его авторов, а наша с вами беда.

Какова же история открытия?

В 1960-е гг. в мире возникла идея совершенствования полупроводниковой техники за счет гетеропереходов, которая какое-то время не поддавалась реализации.

Многочисленные попытки создания всевозможных приборов, работающих на этом принципе, заканчивались ничем только из-за того, что для результативного гетероперехода надо было найти идеальную гетеропару — что было сделать не легче, чем создать идеальную семью.

Доказав, что в гетероструктурах можно эффективно управлять световыми и электронными потоками, и применив в своих исследованиях специальную методику, позволявшую варьировать шириной запрещенной зоны, показателем преломления, величиной электронного сродства, эффективной массой носителей тока и др. параметрами полупроводника, Алфёров в результате многочисленных экспериментов, ежедневно длящихся у него до часа ночи, смог подобрать идеальную гетеропару: арсенид алюминия и арсенид галлия (AIAs/GaAs), а затем GaAs/AIGaAs, отличавшуюся большей стойкостью к окислению на воздухе.

Эти гетеропары вскоре обрели в мире электроники мировую известность.

На основе полученных гетеропар были созданы гетероструктуры, отвечавшие требованиям идеальной модели, и в 1969 г. сконструирован первый в мире полупроводниковый гетеролазер. Область применения лазеров поначалу была весьма ограниченной, поскольку они могли работать только при низких температурах, иногда не выше 20о К.

В 1970 г. на смену AIGaAs-системе Алфёровым и его сотрудниками были предложены соединения InGaAsP, позволившие создать более совершенные лазеры, нашедшие широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

В 1970-е гг. ученый разработал первые в мире технологии радиационно-стойких солнечных элементов на основе AIGaAs/GaAs-гетероструктур и организовал крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей.

Одна из них была установлена в 1986 г. на космической станции «Мир» и эффективно проработала на орбите весь положенный ей срок эксплуатации.

В 1993 г. в лаборатории Алфёрова были сконструированы полупроводниковые лазеры на основе структур с квантовыми точками — «искусственными атомами».

В 1995 г. ученый продемонстрировал инжекционный гетеролазер с использованием квантовых точек на подложках GaAs, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре, что резко повысило возможность его применения и тут же развязало руки создателям быстродействующих элементов электронной техники.

У такого лазера не оказалось конкурентов — он практически безынерционен, его к.п.д. превышает в несколько раз к.п.д. прочих лазеров, а длину волны можно изменять на любую другую.

Исследования Алфёрова позволили кардинально улучшить параметры большинства полупроводниковых приборов, создать для оптической и квантовой электроники широчайшие возможности ее совершенствования и заложить основы принципиально новой электроники на основе гетероструктур — т.н. «зонной инженерии».

Предположения ученого, высказанные им 15 лет назад, что «в XXI веке на основе квантовых точек будут созданы уникальные по свойствам лазеры и транзисторы, появятся совершенно новые приборы и, наверное, возникнет то, что сегодня предсказать невозможно», сбылись.

Следующим шагом в развитии гетероструктур стало применение новых способов обработки информации, когда, смоделировав процесс, можно стало создавать структуры, состоящие из цепочек атомов, имеющих уже не микро-, а наноразмеры (нанометр — одна миллиардная доля метра), и на смену микроэлектронике получить нанотехнологии.

P.S. В многочисленных интервью и публикациях Ж.И. Алфёрова, весьма озабоченного состоянием науки и образования в современной России, можно найти много жестких и поучительных высказываний.

«Если развалится образование, остановится наука, то прекратится и… «воспроизводство гениев». Наступит всеобщее мозговое затмение».

Источник

гетероструктура

Оптическое ограничение (волноводный эффект). T. к. узкозонный слой имеет обычно больший показатель преломления n₁>n₂ (рис. 2), то в нём имеет место волноводное распространение света, обусловленное полным внутренним отражением света на границах. Оно отчётливо проявляется, когда (— длина волны света). Волноводный эффект может наблюдаться как при освещении Г. извне, так и для света излучат. рекомбинации внутри узкозонного слоя. Последний случай наиб. важен в большинстве практич. применений (см. ниже).

Структура эл—магн. полей, соответствующих локализованным волнам (собственным модам оптич. волновода, см. Световод ),может быть найдена из решений ур-ний Максвелла, если в полупроводниковых слоях Г. известна ф-ция n(z). Волноводные свойства Г. могут изменяться под влиянием внеш. воздействий, напр. при возбуждении в узкозонном слое неравновесных носителей, т. к. в зависимости от их концентрации изменяется диэлектрическая проницаемость узкозонного слоя.

Практическое применение. Наиб. важное применение Г.- т. н. оптоэлектронные приборы (гетеролазеры, гетеросветодиоды). В Г., активная область к-рых представляет собой прямозонный полупроводник типа A III B V с

1 эВ, внутр. квантовый выход излучат. рекомбинации (отношение числа носителей, рекомбинирующих с излучением фотона, к общему числу инжектированных в узкозонный слой носителей)

100% в широком диапазоне степени легирования и темп-ры (включая 300К). T. о., при рекомбинации неравновесных носителей в активной области Г. энергия внеш. источника практически полностью может быть преобразована в световую энергию (см. Гетеролазер).

40%. Плоскостные ИК-диоды используются в оптронах. ИК-диоды для волоконных линий связи (см. Волоконная оптика)обладают высокой энергетич. яркостью, которая достигается как за счёт локализации области протекания тока, так и за счет сужения диаграммы направленности излучения вследствие волноводных эффектов, проявляющихся при выводе излучения через боковые грани кристалла, параллельно плоскости ГП (торцовые диоды). Быстродействие для диодов с сильнолегированными активными областями

Ввод и вывод излучения в Г. без поглощения позволили создать эффективные эл—люминесцентные фототиристоры (усилители света), а также преобразователи ИК-излучения в видимое, ДВ-граница чувствительности к-рых значительно сдвинута по сравнению с др. электронно- оптическими преобразователями.

На основе Г. типа п—р-P созданы солнечные батареи. Область их спектральной чувствительности

0,4-0,9 мкм, что соответствует максимуму спектрального распределения интенсивности солнечного света; кпд

25%, плотность снимаемой мощности

Г. с прямозонными широкозонными полупроводниками, обладающими малыми временами жизни неравновесных носителей и малыми их диффузионными длинами L, позволили создать быстродействующие диоды, транзисторы и тиристоры, работающие при комнатных темп-pax (Т

300К). В выпрямительных полупроводниковых диодах для увеличения пробивных напряжений требуется увеличение толщины слаболегир. области (базы), в к-рой находится пространственный заряд. Это приводит к возрастанию потерь при протекании тока в прямом направлении из-за роста падения напряжения на базе. В гетеродиодах с плавными гетеропереходами низкое падение напряжения на базе N 0 достигается благодаря увеличению L в «тянущем» поле. Увеличение эффективной величины L в базе осуществляется в Г. за счёт переноса носителей собств. рекомбинац. излучением.

В биполярных гетеротранзисторах с широкозонным эмиттером за счёт одностороннего характера инжекции эффективность эмиттерного гетероперехода

1, независимо от легирования базовой и эмиттерной областей (см. Транзистор ).В гетеротранзисторах базовая область может быть легирована сильнее эмиттерной, что, уменьшая сопротивление базы и ёмкость эмиттерного перехода, повышает быстродействие. Для предотвращения инжекции дырок в коллектор, затягивающей время рассасывания, в импульсных гетеротранзисторах наряду с широкозонным эмиттером используется и широкозонный коллектор. В полевых транзисторах на ДГ с узкозонным каналом за счёт электронного ограничения улучшаются шумовые характеристики, а широкозонный затвор улучшает управление каналом.

T. к. тиристор может быть представлен в виде комбинации двух транзисторов с Г. типа р-п-р и п- р-п, между к-рыми существует положит. обратная связь по току, то всё сказанное о гетеротранзисторах применимо и к гетеротиристорам. Высокий позволяет управлять напряжением включения путём преобразования электрич. сигнала в оптический в самой Г. и последующего его преобразования в электрический на коллекторном переходе. Это исключает ограничения на время включения, связанное с диффузией и дрейфом носителей заряда, а также с временем распространения включённого состояния.

Гетеролазеры и гетерофотоприёмники, используемые в сочетании с плёночными полупроводниковыми волноводами, могут выполняться на основе единой Г. и на общей полупроводниковой подложке объединяться (интегрироваться) в оптич. схему (методами Планерной технологии). Для управления условиями генерации и распространения света часто используются сложные Г., активный слой к-рых состоит из неск. слоев постоянного или плавно изменяющегося состава с соответствующим изменением . Помимо локализации света в пределах одного или неск. слоев в плоскости ГП, при создании интегрально-оптич. схем возникает необходимость дополнит. локализации световых потоков в плоскости волноводных слоев (в плоскости ГП). Такие волноводы наз. полосковыми и создаются изменением либо состава и свойств полупроводника в плоскости волноводного слоя, либо толщины слоев. «Встраивание» гетеролазера в волноводную схему осуществляется с помощью оптического резонатора, образуемого периодич. модуляцией толщины волноводного слоя. При определ. выборе периода модуляции благодаря дифракции в волноводе возникает волна, бегущая в обратном направлении. В результате формируется распределённое отражение света (см. Интегральная оптика).

0,2-2,5 эВ. Отсюда спектральный диапазон оптоэлектронных приборов простирается от видимого света (=0,51 мкм) до ИК-излучения (=7,6 мкм).

Лит.: Алферов Ж. И., Гетеропереходы в полупроводниках и приборы на их основе, в кн.: Наука и человечество, M., [1975]; Андреев В. M., Долгинов Л. M., Третьяков Д. H., Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов, M., 1975; Кейси X., Паниш M., Лазеры на гетероструктурах, пер. с англ., т. 1-2, M., 1981.

Ж. И. Алферов, С. А. Гуревич, В. И. Корольков.

Источник

Творец гетероструктур

Не стало лауреата Нобелевской премии по физике Жореса Алфёрова

В пятницу, 1 марта 2019 года, умер советский и российский физик Жорес Иванович Алфёров. Больше всего он был известен своими разработками в области полупроводниковых гетероструктур — сейчас эти структуры используются в лазерах, светодиодах, высокочастотных транзисторах и других приборах, без которых невозможно представить современную электронику. За исследования гетероструктур в 2000 году Алфёров получил Нобелевскую премию по физике. Он был последним нобелевским лауреатом из ныне живущих в России. В этом материале мы расскажем про открытия Жореса Алфёрова, их применение в науке и повседневной жизни.

Дешевый лазер при комнатной температуре

Один из самых известных примеров гетероструктур, которые изучал Алфёров, — это полупроводниковый лазер, повсеместно применяемый в современной жизни. Чтобы понять, почему эти приборы так важны, проследим за историей их создания и разберемся в принципах их работы.

В основном, природное излучение некогерентно, то есть состоит из смеси волн с разной фазой и частотой. В частности, такую смесь представляет собой свет Солнца и других звезд, излучение лампы накаливания и горящего дерева. К сожалению, работать с таким светом неудобно.

Например, чтобы записать голограмму, нужно тонко подстроить фазы волн, «выжигающих» картинку; чтобы сигнал не «размазывался» при передаче по оптоволокну, его параметры также нужно точно подстраивать. Для природного излучения это практически невозможно. Поэтому физики старались изготовить источник когерентного излучения — лазер.

Основы теории когерентных источников света заложил еще Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1917 году статью «Квантовая теория излучения». В этой статье физик показал, что под действием вынуждающих фотонов молекула испускает когерентное излучение, фаза и направление которого согласовано с фазой и направлением падающих фотонов. Правда, обычно этот эффект пренебрежимо мал по сравнению со спонтанным излучением, в ходе которого возбужденные молекулы самопроизвольно испускают фотоны со случайными параметрами. Именно по этой причине природный свет некогерентен. Чтобы построить лазер, нужно было каким-то образом усилить эффект вынужденной генерации.

К середине 1950-х годов физикам удалось решить эту задачу и построить первый квантовый генератор — аммиачный мазер, который генерировал когерентное микроволновое излучение. За это открытие Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.

Через несколько лет Теодор Мейнман добился того же эффекта для видимого света, изготовив первый в истории лазер. Этот лазер был основан на кристалле искусственного рубина и работал в импульсном режиме, то есть генерировал излучение только в течение небольшого промежутка времени. Еще через несколько месяцев были разработаны непрерывные газовые лазеры. Однако все эти лазеры были довольно дорогими и громоздкими, а потому перенести их из лаборатории в повседневную жизнь было сложно.

Преодолеть это препятствие помог полупроводниковый лазер, в котором размер области генерации не превышает нескольких микрометров. В основе полупроводникового лазера лежит p-n переход, то есть контакт двух полупроводников с дырочным и электронным типом проводимости.

Напомним, что в n-проводниках заряд переносят отрицательно заряженные квазичастицы-электроны, а в p-проводниках — положительно заряженные квазичастицы-дырки, которые остались после «выдергивания» электронов из электронного «моря». Подробнее про эти квазичастицы можно прочитать в нашем материале «Квантовая азбука: Зоопарк квазичастиц». Когда дырка и электрон сталкиваются, они рекомбинируют и превращаются в фотон. Более того, когда в окрестности такой пары пролетает фотон с нужной энергией, он вызывает вынужденную рекомбинацию, в результате которой рождаются фотон, когерентный исходному фотону.

Устройство полупроводникового диода, основанного на p-n переходе, и его изображение на электрических схемах

Источник

Полупроводниковые гетероструктуры что это

Однако, хотя высказываемые идеи звучали красиво, их в то время мало кто воспринимал всерьез. Подавляющее большинство исследователей скептически относилось к возможности создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей, считая патент лазера на двойной гетероструктуре пустой бумажкой. Скептицизм этот был понятен. Во-первых, необходимо было найти подходящую гетеропару, т.е. два материала с очень близкими постоянными решетки и многими другими хорошо сочетающимися свойствами. Во-вторых, технологии выращивания полупроводниковых структур были далеки от совершенства.

Рис. 3. Схематическое изображение первого в мире полупроводникового лазера (полоскового), работавшего в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Лирическое отступление во славу технологии.

Пропев дифирамбы могучей дорогостоящей современной технике, обратим внимание на очень важную вещь. Мы говорили об изменении энергетического спектра структуры вследствие локализации электронов и дырок в квантовой яме. А будут ли эти квазичастицы, локализованные в столь тонком слое, вести себя также, как в объемном (трехмерном) полупроводнике: фактически «для жизни» им остаются только два измерения? Разве это не должно соответствующим образом изменить свойств «электронной подсистемы» кристалла? Понижение размерности действительно имеет место быть! В случае квантовых ям поэтому говорят о «двумерном электронном газе». И, соответственно, квантовые ямы можно назвать квазидвумерными структурами. Нет никакой возможности отразить в данной статье всю совокупность явлений, связанных с подобным изменением «эффективной размерности пространства». Могу только сказать, что за открытие и исследование квантового эффекта Холла (целочисленного и дробного, когда квазичастицы ведут себя так, будто имеют дробный заряд!) при изучении свойств двумерного электронного газа присуждено две Нобелевские премии. Проиллюстрирую «физику» только на одном примере.

«Вверх по лестнице, ведущей вниз».

Рис. 5. Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Важно отметить, что формирование квантовых точек происходит без образования дислокаций несоответствия (говорят о системе когерентно напряженных трехмерных островков).

Подытожим. Если классические гетероструктуры открыли новые технологические горизонты, то использование низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур дает исследователям, технологам и инженерам практически неограниченную свободу рук. Можно сказать, что Нобелевский лауреат подарил человечеству своего рода «конструктор». Поскольку в наноструктурах существенную роль играют квантовомеханические эффекты, можно даже сказать»квантовый конструктор». Путем подбора параметров гетероструктуры (материалы, толщины (см. рис. 4) и последовательность расположения слоев etc.) исследователи теперь в состоянии получать структруры с требуемыми свойствами. Например, просто меняя номинальную толщину слоя CdTe в матрице ZnTe с 0.3 до 1.2 нм, мы изменяем длину волны излучения (при температуре 5 K) с 530 до 620 нм, т.е «переезжаем» из зелено-желтой области видимого спектра в красную.

1. Ж.И.Алферов. ФТП, т.32, 3 (1998). Если кто-то интересуется историей развития полупроводниковых гетероструктур, то он может познакомиться с ней из первых рук: здесь http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftp/1998/01/page-3.html.ru можно получить статью в формате pdf.

2. Ж.И.Алферов, Р.Ф.Казаринов. Авторское свидетельство N 181737, заявка N 950840 с приоритетом от 30 марта 1963 г.; H.Kroemer. Proc. IEEE, v.51, 1782 (1963).

3. Ж.И.Алферов. ФТП, т.1, 436 (1967).

4. Ж.И.Алферов, В.М.Андреев, Д.З.Гарбузов, Ю.В.Жиляев, Е.П.Морозов, Е.Л.Портной, В.Г.Трофим. ФТП, т.4, 1826 (1970).

Источник

Гетероструктура

MOCVD.Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с высокой точностью (с точностью до атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.

За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алфёров и Герберт Крёмер,США, получили Нобелевскую премию в 2000 году.

В рамках развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей и светодиодов.

Связанные понятия

300 К) полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 10−4−10

10 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

5⋅103 Вт·м−1·К−1 соответственно). Высокая подвижность носителей.

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или, другими словами, расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость.

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.

Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.

Источник