Гетерострукту́ра — выращенная на подложке структура, состоящая из слоёв различных материалов (полупроводников, диэлектриков), которые различаются шириной запрещённой зоны и/или сродством к электрону.
Между двумя разными материалами формируется гетеропереход, в котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур, гетероструктура обладает большой свободой выбора в конструировании нужных профилей зоны проводимости и валентной зоны. Гетероструктуры дают возможность управления фундаментальными параметрами в кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.
Для выращивания гетероструктур используют много различных методов, среди которых можно выделить два основных: Молекулярно-лучевая эпитаксия, Осаждение из газообразной фазы (MOCVD).
Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с высокой точностью (до атомного монослояW. Patrick McCray, MBE deserves a place in the history books, Nature Nanotechnology 2, 259—261 (2007) doi:10.1038/nnano.2007.121). Второй же не имеет высокой точности, но по сравнению с первым методом обладает более высокой производительностью.
За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алфёров (Россия) и Герберт Крёмер (США) были удостоены Нобелевской премии в 2000 году.
В рамках программы развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей и светодиодов.
История Впервые на возможность использования свойств контакта двух различных полупроводников для повышения эффективности инжекции в биполярных транзисторах указывал Шокли в 1948 году.Shockley, W. "Circuit Element Utilizing Semiconductive Material," U. S. Patent 2,569,347 (Filed June 26, 1948. Issued September 25, 1951)
В 1957 году Герберт Кремер в своей работеH. Kroemer. Proc. JRE, 45, 1535 (1957); RCA Rev., 28, 332 (1957) предположил, что гетеропереходы могут иметь более высокую эффективность инжекции по сравнению с гомопереходами.
Качественная модель формирования энергетической диаграммы гетероперехода была развита Р. Л. Андерсоном в 1960 году, им также был исследован первый эпитаксиальный монокристаллический гетеропереход Ge-GaAs с совпадающими постоянными кристаллической решетки.
Несколькими годами позже независимо Ж. И. АлферовымЖ.И. Алферов, Р.Ф. Казаринов. А. c. № 181737, заявка № 950840 с приоритетом от 30 марта 1963 и Г. КремеромH. Kroemer. Proc. IEEE, 51, 1782 (1963) (Submitted October 14, 1963) была сформулирована концепция лазеров на основе двойных гетероструктур (ДГС).
Алферов отмечал возможность достижения высокой плотности инжектированных носителей и инверсной заселенности для получения вынужденного излучения в данных структурах. Он показал, что плотность инжектированных носителей может на несколько порядков превосходить плотность носителей в широкозонном эмиттере (эффект ”суперинжекции”), а благодаря потенциальным барьерам на границе полупроводников рекомбинация в эмиттере равна нулю.
Наиболее перспективной для получения гетероструктур была система AlAs-GaAs, так как соединения AlAs и GaAs имеют близкие значения постоянных решеток, а GaAs в свою очередь обладает многими необходимыми свойствами, такими как малые эффективные массы носителей, высокая подвижность электронов, большая ширина запрещенной зоны, эффективная излучательная рекомбинация и резкий край оптического поглощения вследствие прямозонной структуры.
Разработка модификации метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), пригодной для роста гетероструктур, привела к созданию первой решеточно-согласованной AlGaAs-гетероструктуры. Были созданы большинство наиболее важных приборов, в которых используются основные преимущества гетероструктур:
низкопороговые ДГС лазеры при комнатной температуре, высокоэффективные светодиоды на одиночной и двойной гетероструктуреЖ.И. Алферов, В.М. Андреев, В.И. Корольков, Е.Л. Портной, А.А. Яковенко. ФТП, 3, 930 (1969), солнечные элементы на гетероструктурахЖ.И. Алферов, В.М. Андреев, М.В. Каган, И.И. Протасов, В.Г. Трофим. ФТП, 4, 2378 (1970), биполярные транзисторы на гетероструктурахЖ.И. Алферов, Ф.А. Ахмедов, В.И. Корольков, В.Г. Никитин. ФТП, 7, 1159, тиристорные p−n−p−n-переключатели на гетероструктурах.
Работы Ж. И. Алферова и Г. Кремера в области исследования гетеропереходов были отмечены присуждением им Нобелевской премии по физике в 2000 году.
В настоящее время гетеропереходы находят широкое применение при создании высокочастотных транзисторов и оптоэлектронных приборов. На базе гетероструктур создаются быстродействующие опто- и микроэлектронные устройства: лазерные диоды для систем передачи информации в оптоволоконных сетях; гетероструктурные светодиоды и биполярные транзисторы; малошумящие транзисторы с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), применяющиеся в высокочастотных устройствах, в том числе в системах спутникового телевидения; солнечные элементы с гетероструктурами, широко использующиеся для космических и земных программ.
См. также Гетероструктура — Физическая энциклопедия Гетероструктура — Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы» Солнечная энергетика и энергосбережение Гетероструктура — форум российских исследователей гетероструктур
Примечания
Литература
Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. — Физматлит Москва, 2008. — 488 с. — ISBN 978-5-9221-0995-6.
Категория:Физика полупроводников Категория:Полупроводниковые приборы