Глава 22. Гетероструктуры в микроэлектронике

В последние годы обострилась необходимость создания полупроводниковых приборов, способных работать на частотах миллиметрового диапазона. К областям их применения относятся широкополосная радиосвязь, скоростные системы передачи данных, системы предупреждения столкновений автомобилей, системы наблюдения в сложных метеорологических условиях, системы контроля окружающей среды и атмосферы, измерительная техника, а также элементная база ЭВМ новых поколений.

Успехи кремниевой технологии привели к созданию приборов, способных работать на частотах до 40 ГГц, однако уже сейчас ощущается необходимость расширения частотного диапазона до 1000 ГГц. Наиболее

перспективными приборами для таких применений являются гетеропереходные биполярные и полевые транзисторы на полупроводниковых соединениях А3В5. Последние обладают наилучшими шумовыми характеристиками в диапазоне СВЧ. Полевые транзисторы потенциально имеют более высокую радиационную стойкость, т.к. их действие основано на использовании только основных носителей заряда.

22.1. Основные свойства гетероперехода

Впервые гетеропереход был получен между твердым раствором (AlxGa1-x)As при х = 0,8 и GaAs. Это было сделано в группе, возглавляемой Ж.И. Алфёровым в 1964–65 гг. В 2000 г. за эту работу Ж.И. Алфёрову совместно с американским физиком теоретиком Г. Крёмером была присвоена Нобелевская премия.

Первым достижением в области практического использования полупроводниковых гетероструктур было создание инжекционных полупроводниковых лазеров, работающих при комнатной температуре.

Компактные полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды стали одним из самых массовых полупроводниковых приборов. Применение

полупроводниковых гетероструктур позволило значительно улучшить параметры и характеристики основного элемента современной микроэлектроники – транзистора. Гетеропереходной биполярный транзистор был предложен практически одновременно с гетероструктурным лазером.

Рассмотрим гетеропереход между двумя полупроводниками с близкой кристаллической структурой, но разной шириной запрещенной зоны. Такому условию удовлетворяет переход между AlAs и GaAs, параметры которых представлены в таблице 22.1.

AlAs не устойчив по отношению к воде, и при их взаимодействии происходит химическая реакция:

425

Таблица 22.1

Параметры основных полупроводниковых материалов

Поэтому для формирования гетеропереходов используют твердый раствор (AlxGa1-x)As при х ≤ 0,8. Ширина запрещенной зоны тройного соединения (AlxGa1-x)As линейно увеличивается при введении алюминия с ростом х. Типичное значение составляет х = 0,3, при этом Eg = 1,8 эВ.

Как уже было отмечено в части III, особенностью зонной диаграммы гетероперехода является наличие скачков Еc и Еv на границе гетероперехода.

Именно наличие скачков обеспечивает две принципиальные особенности гетероперехода:

∙сверхинжекцию;

∙образование двумерного электронного газа.

22.1.1. Сверхинжекция неравновесных носителей заряда в гетеропереходе

Рассмотрим зонную диаграмму гетероперехода при прямом внешнем смещении, когда переход открыт и через него течёт ток (рис. 22.1).

Рис. 22.1. Зонная энергетическая диаграмма гетероструктуры в прямом

включении

426

В этом случае система неравновесна. Стационарный уровень Ферми в таких условиях не существует, и концентрацию носителей заряда принято описывать с помощью квазиуровней Ферми.

Благодаря скачку дна зоны проводимости электронный квазиуровень EF,n в области р-типа вблизи перехода оканчивается выше Ес. Так возникает

неравновесный вырожденный электронный газ с высокими значениями концентрации электронов. Такой рост концентрации неравновесных электронов (np) в р-полупроводнике при протекании тока называют сверхинжекцией.

За счет сверхинжекции np может быть выше, чем концентрация

22.1.2. Понятие о двухмерном электронном газе

Рис. 22.2. Энергетическая диаграмма гетероперехода на основе арсенида галлия: 1 – GaAs, 2 – AlxGa1-xAs, 3 – потенциальная яма для электронов, 4 – потенциальный барьер со стороны легированного полупроводника, 5 –

граница перехода

Согласно энергетической диаграмме гетероперехода (рис. 22.2), в

арсениде галлия у границы перехода в зоне проводимости образуется область минимума энергии электронов, в которой происходит их накопление. Электроны переходят из области 4, расположенной в (AlxGa1-xAs), который выступает в качестве поставщика носителей заряда. В результате в этой области образуется обедненный слой, имеющий избыточный положительный заряд нескомпенсированных доноров.

427