1.2.1. Полупроводниковые и полуметаллические пленки

Наиболее очевидным примером структур с двумерным электронным газом являются тонкие полупроводниковые и полуметаллические¹ пленки. Одномерная прямоугольная потенциальная яма в этих структурах возникает за счет скачка потенциала на границе пленки с вакуумом и имеет место как для электронов, так и для дырок. Энергия уровней размерного квантования определяется толщиной пленки, а концентрация носителей заряда в ней уровнем легирования. Исторически квантовые размерные эффекты впервые наблюдались в проводимости полуметаллических пленок Bi [2]. Пленки, имеющие необходимую толщину, высокую подвижность носителей заряда и хорошее качество поверхности достаточно легко получаются методом вакуумного испарения. Однако существенным недостатком этих пленок с точки зрения проявления квантовых размерных эффектов является наличие высокой плотности поверхностных состояний, играющих роль рассеивающих центров. При этом длина свободного пробега пленки становится равной ее толщине, что противоречит условию (1.2).

1.2.2. МДП-структуры

Рис. 1.1.Зонная диаграмма МДП-структуры [1].

Трехслойные структуры типа МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) при наличие положительного потенциала достаточной величины на металле относительно слоя полупроводника р-типа (напряжение на металлическом затворе V_з) имеют одномерную потенциальную яму для электронов в слое полупроводника у границы с диэлектриком – инверсионный слой (рис. 1.1). В отличие от тонких пленок параметры этой потенциальной ямы, близкой к треугольной, а также концентрация электронов в ней существенно зависят от напряжения на затворе. Следовательно, энергетический спектр уровней размерного квантования и плотность двумерных носителей заряда в этих структурах можно изменять в широких пределах меняя напряжение на затворе. Другим отличием от тонких пленок является то, что в квантовой яме МДП-структур, находятся только электроны полупроводника, дырки при этом движутся свободно и их энергетический спектр остается непрерывным [3].

Основным материалом для изготовления МДП-структур является кремний, благодаря окислению которого создается однородный слой высококачественного диэлектрика SiO₂, имеющий требуемую толщину.

1.2.3. Гетероструктуры

Наиболее ярко эффекты размерного квантования проявляются в гетероструктурах - контактах между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, полученных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии [4]. На таком контакте края энергетических зон испытывают скачки, играющие роль потенциальных барьеров – стенок квантовой ямы для носителей заряда. На рис. 1.2. [1] показана типичная зонная диаграмма одиночного гетероперехода между полупроводниками n и p типа, сходная с диаграммой МДП-структуры. Так же как и там в узкозонном полупроводнике вблизи границы раздела может образовываться инверсионный слой, играющий роль потенциально ямы для электронов, в которой существуют уровни размерного квантования.

Рис. 1.2. Зонная диаграмма одиночного гетероперехода [1].

Рис. 1.3. Зонная диаграмма двойной гетероструктуры при различной толщине узкозонного слоя.

Важнейшим достоинством гетероперехода является высокое качество гетерограницы, которое можно добиться выбором в качестве компонент гетеропары веществ с хорошим согласием постоянных решетки. Примером такой гетеропары являются узкозонный GaAs и широкозонный твердый раствор Al_xGa_1-xAs. В гетероструктурах с этими полупроводниками было получено рекордное значение подвижности электронов, превосходящее 10⁷ см²/(Вс), тогда как для лучших Si-МДП-структур 510⁴ см²/(Вс) [1]. За счет высокой подвижности условие (1.2) в гетероструктурах выполняется с высокой точностью, что позволяет наблюдать различные тонкие эффекты.

В гетероструктуре на рис. 1.2. потенциальная яма для электронов образована с одной стороны разрывом зоны проводимости, а с другой стороны электростатическим полем перехода. На базе одиночной можно создать двойную гетероструктуру Al_xGa_1-xAs/GaAs/Al_xGa_1-xAs, в которой толщина узкозонного слоя a значительно меньше длины экранирования электростатического потенциала. При этом получается гетероструктура, которая является аналогом тонкой пленки (рис. 1.3.).