Сверхрешеткой называется периодическая структура, состоящая из тонких чередующихся в одном направлении слоев полупроводников. Период сверхрешетки намного превышает постоянную кристаллической решетки, но меньше длины свободного пробега электронов. Такая структура обладает, помимо периодического потенциала кристаллической решетки, дополнительным потенциалом, обусловленным чередующимися слоями полупроводников, и который называют потенциалом сверхрешетки. Наличие потенциала сверхрешетки существенно меняет зонную энергетическую структуру исходных полупроводников. Полупроводниковые сверхрешетки обладают особыми физическими свойствами, главные из которых следующие: • существенное изменение в сравнении с исходными полупроводниками энергетического спектра; • наличие большого числа энергетических зон; • очень сильная анизотропия (двумерность); • подавление электронно-дырочной рекомбинации; • концентрация электронов и дырок в сверхрешетке является перестраиваемой величиной, а не определяется легированием; • широкие возможности перестройки зонной структуры. Все эти особенности полупроводниковых сверхрешеток позволяют считать эти искусственные структуры новым типом полупроводников. По способу создания периодического потенциала сверхрешетки делятся на несколько типов. Наиболее распространенными являются композиционные и легированные сверхрешетки. Композиционные сеерхрешетки, представляют собой эпитакисально выращенные чередующиеся слои различных по составу полупроводников с близкими постоянными решетки. Исторически первые сверхрешетки были получены для системы полупроводников GаАs - АlxGa1-xАs[1] Успех в создании этой сверхрешетки был обусловлен тем, что А1, имеющий такую же валентность и ионный радиус, что и Gа, не вызывает заметных искажений кристаллической структуры исходного материала. В то же время Аl способен создать достаточную амплитуду сверхрешеточного потенциала. 2. По расположению энергетических зон полупроводников композиционные сверхрешетки разделяются на несколько типов. Полупроводниковая сверхрешетка GаАs - АlxGa1-xАsотносится к сверхрешеткам I типа у которых минимум зоны проводимости Еc1и максимум валентной зоны Еv1 одного полупроводника по энергии расположены внутри энергетической щели другого (рис. 2.1,а). В сверхрешетках этого типа возникает периодическая система квантовых ям для носителей тока в первом полупроводнике, которые отделены друг от друга потенциальными барьерами, создаваемыми во втором полупроводнике. Глубина квантовых ям для электронов ΔЕС определяется разностью между минимумами зон проводимости двух полупроводников, а глубина квантовых ям для дырок - разностью между максимумами валентной зоны ΔЕv (рис. 2.1,а). 3. В композиционных сверхрешетках II типа (рис. 2.1,б) минимум зоны проводимости одного полупроводника расположен в энергетической щели второго, а максимум валентной зоны второго - в энергетической щели первого композиционные 1. сверхрешетки II типа со ступенчатым ходом зон [1]). Энергетическую диаграмму сверхрешетки этого типа иллюстрирует рис. 2.1,б справа. В этих сверхрешетках модуляция краев зоны проводимости и валентной зоны имеет один и тот же знак. Примером сверхрешетки с такой энергетической структурой является система InxGa1-xAs – GaSb1-yAsy. К этому же типу относятся и композиционные сверхрешетки, у которых минимум зоны проводимости одного полупроводника расположен по энергии ниже, чем максимум валентной зоны другого (композиционные сверхрешетки II типа с неперекрывающимися запрещенными зонами). Примером такой сверхрешетки может служить система InAs – GaSb. 4. В легированных сверхрешетках периодический потенциал образован чередованием слоев n- и p-типов одного и того же полупроводника. Эти слои могут быть отделены друг от друга нелегированными слоями. Такие полупроводниковые сверхрешетки называют часто nipi-кристаллами. Для создания легированных сверхрешеток чаще всего используют GaAs. Схема расположения последовательности слоев в nipi-кристаллах приведена на рис. 2.2. Справа на этом же рисунке показана координатная зависимость зонной диаграммы этой сверхрешетки. Потенциал сверхрешетки в легированных сверхрешетках создается только пространственным распределением заряда. 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 полным. Важной 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. 5. Гетеропереход — это контакт двух различных по химическому составу полупроводниковых кристаллов, при котором кристаллическая решетка одного полупроводникового кристалла переходит в кристаллическую решетку другого полупроводника без нарушения структуры кристалла. Гетеропереходы бывают изотипные и анизотипные. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости (p-p или n-n переход), то такой гетеропереход называется изотипным. Анизотипные гетеропереходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости (p-n переход или n-p переход). На первое место ставится буква, обозначающая тип проводимости полупроводника с более узкой запрещенной зоной Гетеропереходы могут быть трёх видов: идеальный; неидеальный; с промежуточным слоем. В идеальном гетеропереходе, в отличие от неидеального, на границе раздела материалов отсутствуют локальные энергетические состояния для электронов. Гетеропереход с промежуточным слоем разделяется дополнительным слоем конечной толщины, и локальные энергетические состояния могут существовать как в самом промежуточном слое, так и на границах его раздела. 6. Так как в различных полупроводниковых материалах различная ширина запрещенной зоны, то в районе гетероперехода возникает разрыв энергетических зон. В гетеропереходе разрывы энергетических зон могут быть как положительными, так и отрицательными. В зависимости от разрыва энергетических зон образуются гетеропереходы различных видов: 1) Охватывающий переход. Он возникает, когда разрыв зоны проводимости ΔEc и разрыв валентной зоны ΔEv положительны. Охватывающий гетеропереход образуется, например, при выборе полупроводниковой пары GaAs-AlGaAs. Обычно такой тип гетероперехода называется стандартным гетеропереходом или переходом I типа. 2) Ступенчатый переход. Он возникает, когда один из разрывов зон положительный, а другой отрицательный. Обычно такой тип гетероперехода называется переходом II типа. Ступенчатый переход образуется в гетеропереходе InPIn0,52Al0,48As. 3) Разрывный гетеропереход. Такой переход возникает, когда запрещенные зоны соседних полупроводниковых материалов вообще не перекрываются по энергии. Разрывный переход называют ещё гетеропереходом III типа. Классический пример подобного перехода — гетеропереход InAs-GaSb. 7. Гетеропереходы применяются в различных полупроводниковых приборах. Например, потенциальная яма, формируемая пиком в энергетической диаграмме перехода, позволяет увеличивать к.п.д. светоизлучающих электронных приборов, таких как полупроводниковые лазеры или светодиоды. Применение гетеропереходов в эмиттере биполярных транзисторов HBT позволяет увеличить проводимость базы, не опасаясь увеличения обратного тока в цепи эмиттера. Тем самым можно улучшать частотные свойства транзистора или добиваться больших токов, по сравнению с обычной структурой транзистора. Гетеропереходы позволяют формировать двумерный электронный газ, что даёт возможность повысить подвижность электронов в полевых или биполярных транзисторах. Это позволяет создавать транзисторы с частотой работы до 600 ГГц. В этом случае для улучшения подвижности электронов в двумерном газе часто между полупроводниками добавляют разделитель (spacer). В качестве разделителя может служить нелегированный полупроводник. При этом возможно два варианта реализации гетероперехода. Либо псевдоморфный, либо метаморфный гетеропереход. В псевдоморфном гетеропереходе толщина разделителя настолько тонкая, что он растягивается до параметров кристаллической решётки соседнего полупроводникового материала. В метаморфном гетеропереходе подбирается химический состав разделителя таким образом, чтобы период его кристаллической решётки соответствовал периоду кристаллической решётки соседнего полупроводникового материала. Например, при создании гетероперехода GaAs-InGaAs между ними помещается разделитель из InAlAs, с концентрацией индия подобранной таким образом, чтобы его кристаллическая решётка соответствовала как с арсенидом галлия GaAs, так и с твёрдым раствором InGaAs. 8. Углеродная нанотрубка (англ. сarbon nanotube) – цилиндрическая молекула, состоящая из одних лишь атомов углерода. Имеет диаметр около 1 нанометра и длину от одного до сотен микрометров. Внешне выглядит как свернутая в цилиндр графитовая плоскость. Впервые обнаружена Сумио Ииджимой (корпорация NEC) в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена С60. Нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Многослойные нанотрубки представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую, Расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Различают прямые (ахиральные) нанотрубки и спиральные (хиральные) нанотрубки. 9. Нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Они могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Нанотрубки на порядок прочнее стали. Нанотрубки это легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Модификация нанотрубок выполняется за счёт линейного или объёмного введения различных атомов в межплоскостное расстояние – 0,34 нм., как с внешней так и с внутренней стороны поверхности нанотрубки. Получают различные нанотрубки, например, металлизированные. 10. Благодаря таким характеристикам, как прочность, изгиб, проводимость, используются во многих областях: в качестве добавок к полимерам; катализатором для осветительных устройств, а также плоских дисплеев и трубок в телекоммуникационных сетях; в качестве поглотителя электромагнитных волн; для преобразования энергии; изготовления анодов в различных видах батареек; хранения водорода; изготовления датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и свойств. Исследователи уделяют также много внимания взаимодействию бетона с углеродными нанотрубками. Добавка небольшого количества (~ 1 вес. %) окисленных многослойных углеродных нанотрубок к традиционным маркам, например портландцементу, приводит к значительному улучшению прочности материала на сжатие (+ 25 Н/мм2) и изгибной прочности (+ 8 Н/мм2). Применение углеродных нанотрубок в качестве наполнителя того или иного материала имеет один важный недостаток: нанотрубки «любят» слипаться за счет взаимодействия графеновых листов, образуя крупные кластеры, что приводит в итоге к потере когезии с материалом-носителем. Поэтому для достижения высоких характеристик композиционного материала необходимо проводить дополнительные процедуры с целью разделения и однородной дисперсии нанотрубок. Один из обнаруженных на сегодня способов – предварительное смешивание углеродных нанотрубок с гуммиарабиком, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы подобрать оптимальный состав такого композита.
