WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1 УДК 621.315.592 История и будущее полупроводниковых гетероструктур © Ж.И. Алферов Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 22 июля 1997 г. Принята к печати 27 июля 1997 г.) Описана история создания полупроводниковых гетероструктур и их применений в различных электронных приборах. Также приведен краткий исторический обзор развития физики, технологии изготовления и применений квантовых ям и сверхрешеток. Обсуждаются успехи последних лет в области создания структур с квантовыми проволоками и, особенно, с квантовыми точками, а также тенденции и перспективы развития и применения этих новых типов гетероструктур.

1. Введение основателя — Абрама Федоровича Иоффе. В 1932 г.

В.П. Жузе и Б.В. Курчатов исследуют собственную и Сейчас очень трудно представить современную физи- примесную проводимость полупроводников [1]. В том ку твердого тела без полупроводниковых гетерострук- же году А.Ф. Иоффе и Я.И. Френкель создают теорию тур. Полупроводниковые гетероструктуры и, особенно, выпрямления тока на контакте металл–полупроводник, двойные гетероструктуры, включая квантовые ямы, ни- основанную на явлении туннелирования [2]. В 1931 ти и точки, являются сегодня предметом исследований и 1936 гг. Я.И. Френкель публикует свои знаменитые 2/3 исследовательских групп в области физики полупро- статьи [3], где он предсказал экситонные эффекты, дал имя и разработал теорию экситонов в полупроводниках.

водников.

Впоследствии экситоны были экспериментально обнаЕсли возможность управления типом проводимости ружены Е.Ф. Гроссом в 1951 г. [4]. Первая диффузиполупроводника с помощью легирования различными онная теория выпрямляющего p-n-гетероперехода, копримесями и идея инжекции неравновесных носителей торая легла в основу теории p-n-перехода В. Шокли, заряда были теми семенами, из которых выросла побыла опубликована Б.И. Давыдовым в 1939 г. [5]. По лупроводниковая электроника, то гетероструктуры дают инициативе А.Ф. Иоффе с конца 40-х годов в Физиковозможность решить значительно более общую протехническом институте были начаты исследования в блему управления фундаментальными параметрами в области интерметаллических соединений. Теоретическое полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной предсказание и экспериментальное открытие свойств позапрещенной зоны, эффективными массами носителей и лупроводниковых соединений AIIIBV были сделаны незаих подвижностями, показателем преломления, электронвисимо Г. Велькером [6] и Н.А. Горюновой и А.Р. Регелем ным энергетическим спектром и т. д.

в Физико-техническом институте [7]. Мы почерпнули Развитие физики и технологии полупроводниковых очень много из того высокого теоретического, техногетероструктур привело к значительным переменам в логического и экпериментального уровня исследований, нашей повседневной жизни. Электронные устройства на который существовал в ФТИ в то время.

основе гетероструктур широко используются во многих областях человеческой деятельности. Едва ли возможно вообразить нашу жизнь без телекоммуникационных 2. Классические гетероструктуры систем, основанных на лазерах с двойной гетероструктурой (ДГС), без гетероструктурных светодиодов и Идея использования гетероструктур в полупроводнибиполярных транзисторов, без малошумящих транзиковой электронике была выдвинута уже на заре развития сторов с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), электроники. Уже в первом патенте, связанном с транприменяющихся в высокочастотных устройствах, с том зисторами на p-n-переходах, В. Шокли [8] предложил числе в системах спутникового телевидения. Лазер с использовать широкозонный эмиттер, чтобы получить ДГС присутствует теперь фактически в каждом доме в одностороннюю инжекцию. В нашем институте А.И. Гупроигрывателе компакт-дисков. Солнечные элементы с банов впервые теоретически проанализировал вольтгетероструктурами широко используются как для косамперные характеристики изотипных и анизотипных гемических, так и для земных программ — космическая теропереходов [9], однако одни из самых важных теорестанция ”Мир” уже почти 10 лет использует солнечные тических изысканий на этой ранней стадии исследоваэлементы на основе AlGaAs-гетероструктур.

ния гетероструктур были выполнены Г. Кремером, котоНаш интерес к полупроводниковым гетероструктурам рый ввел понятие квазиэлектрических и квазимагнитных не был случаен. Систематическое изучение полупро- полей в плавном гетеропереходе и предположил, что водников было начато в начале 30-х годов в Физико- гетеропереходы могли бы иметь чрезвычайно высокую техническом институте под прямым руководством его эффективность инжекции по сравнению с гомоперехода1 4 Ж.И. Алферов ми [10]. В то же самое время развивались различные Теперь осталось только найти гетероструктуру, где эти идеи относительно использования полупроводниковых явления могли бы быть реализованы.

гетероструктур в солнечных элементах. В то время имел место общий скептицизм относительСледующий важный шаг был сделан несколькими го- но возможности создания ”идеального” гетероперехода с бездефектной границей и, тем более, с теоретически дами позже, когда независимо нами и Г. Кремером [11] предсказываемыми свойствами инжекции. Даже пионербыла сформулирована концепция лазеров на основе ДГС.

ские работы Р.Л. Андерсона [14] по исследованию перВ нашем патенте мы отметили возможность достигнуть вого эпитаксиального монокристаллического гетеропевысокой плотности инжектированных носителей и инрехода с совпадающими постоянными кристаллической версной заселенности с помощью ”двойной” инжекции.

решетки Ge–GaAs не давали доказательств инжекции Мы особо указали на то, что лазеры на гомопереходах неравновесных носителей в гетероструктурах. Фактиче”не обеспечивают непрерывного режима генерации при ская реализация эффективных широкозонных эммитеров повышенных температурах”, и, как дополнительное прерассматривалась попросту как невозможная, и патент имущество ДГС лазеров, мы рассмотрели возможности лазера на ДГС многими рассматривался как ”бумажный ”увеличения излучающей поверхности и использования патент”.

новых материалов для получения излучения в различных Главным образом из-за этого общего скептицизма областях спектра”.

существовало только несколько групп, пытавшихся найВ своей статье Г. Кремер предложил использовать ДГС ти ”идеальную” пару, что являлось, конечно, трудной для ограничения носителей в активной области. Он предзадачей. Должно было быть выполнено много условий положил, что ”с помощью пары гетеропереходных инсовместимости тепловых, электрических, кристаллохижекторов лазерная генерация может быть осуществлена мических свойств контактирующих материалов, а также во многих непрямозонных полупроводниках и улучшена их кристаллической и зонной структур.

в прямозонных”.

Удачная комбинация ряда свойств, т. е. малые эффекПервоначально теоретические изыскания продвигативные массы и большая ширина запрещенной зоны, лись существенно быстрее, чем их экспериментальная эффективная излучательная рекомбинация и резкий край реализация. В 1966 г. [12] мы предсказали, что плотоптического поглощения вследствие ”прямой” зонной ность инжектированных носителей могла бы на неструктуры, высокая подвижность электронов в абсосколько порядков превосходить плотность носителей в лютном минимуме зоны проводимости и ее сильное широкозонном эмиттере (эффект ”суперинжекции”). В уменьшение в ближайшем минимуме в точке (100), том же самом году в статье [13], посланной в новый уже в то время обеспечивала для GaAs достойное советский журнал ”Физика и техника полупроводников”, место в физике полупроводников и электронике. Так я обобщил наше понимание основных преимуществ как максимальный эффект может быть получен при ДГС для различных устройств, особенно для лазеров и использовании гетероперехода между полупроводником, высокомощных выпрямителей: ”Области рекомбинации, выступающим в качестве активной области приборов, светового излучения и инверсии населенности совпадают и более широкозонным материалом, наиболее перспеки полностью сосредоточены в среднем слое. Благодаря тивными системами, рассматривавшимися в то время, потенциальным барьерам на границе полупроводников были GaP-GaAs и AlAs-GaAs. Для ”совместимости” с различной шириной запрещенной зоны, даже при материалы ”пары” должны удовлетворять первому и больших смещениях в пропускном направлении, целисамому важному условию: наиболее близкие значения ком отсутствует сквозное токопрохождение электронов постоянных решеток. Поэтому гетеропереходы в системе и дырок, и рекомбинация в эмиттерах равна нулю (в AlAs-GaAs были предпочтительней. Однако, для того отличие от гомоструктур p-i-n, p-n-n+, n-p-p+, где чтобы начать работы по получению и исследованию она играет определяющую роль).

свойств этих гетеропереходов, требовалось преодолеть Инверсия населенности для получения стимулированнекоторый психологический барьер. К тому времени ного излучения может быть достигнута чисто инжекциAlAs был уже давно получен [15], но многие свойства онным способом (двойная инжекция), и для ее достижеэтого соединения оставались неисследованными, так как ния не требуется высокого уровня легирования средней было известно, что AlAs является химически нестабильобласти и, тем более, вырождения. Вследствие заметной ным и разлагается во влажной атмосфере. Возможность разницы в диэлектрических постоянных, свет полностью получения устойчивого и приспособленного для праксосредоточен в среднем слое, играющем роль высокотических приложений гетероперехода в этой системе качественного волновода, и таким образом, световые казалась малоперспективной.

потери в пассивных областях (эмиттерах) отсутствуют”.

Первоначально наши попытки создать ДГС были свяВот наиболее важные преимущества полупроводникозаны с решеточно-несогласованной системой GaAsP. Мы вых гетероструктур, которые мы выделили в то время:

успешно изготовили первые лазеры на основе ДГС в этой – суперинжекция носителей, системе методом газофазной эпитаксии (ГФЭ). Однако, – оптическое ограничение, из-за несоответствия параметров решетки, лазерная ге– электронное ограничение. нерация, как и в лазерах на гомопереходах, могла осуФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № История и будущее полупроводниковых гетероструктур ществляться только при температуре жидкого азота [16].

Любопытно отметить, однако, что это был первый прак(3) тический результат для решеточно-несогласованной и 1.59 eV даже частично релаксировавшей структуры.

Наш опыт, который мы получили при изучении си1.39 eV стемы GaAsP, был очень важен для понимания многих специфических физических свойств гетеропереходов и основ гетероэпитаксии. Разработка метода многокамерной ГФЭ для системы GaAsP позволила нам в 1970 г.

(2) (2) создать структуры со сверхрешетками с периодом 1.59 eV и продемонстрировать расщепление зоны проводимости 1.61 eV на минизоны [17].

Однако к концу 1966 г. мы пришли к выводу, что даже небольшое несоответствие параметров решеток в гетероструктурах GaP0.15As0.85–GaAs не позволяет реализовать потенциальные преимущества ДГС. В то время сотрудник моей группы Д.Н. Третьяков сообщил 1.61 eV (1) (1) мне, что с мелкими кристаллами твердых растворов AlxGa1-xAs различных составов, полученными два года назад путем охлаждения из расплава и положенными А.С. Борщевским в ящик стола, ничего за это время не случилось. Тотчас же стало ясно, что твердые растворы AlxGa1-xAs являются химически устойчивыми и подходящими для изготовления долгоживущих гетероструктур 7100 7700 8300 8900 7760 и приборов. Изучение фазовых диаграмм и кинетики Wavelength () роста в этой системе, а также разработка модификации Рис. 1. Спектр генерации первого низкопорогового метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), пригодной для AlxGa1-xAs-ДГС лазера, работающего при комнатной темпероста гетероструктур, вскоре привели к созданию перратуре (300 K). Jth = 4300 А/см2. Ток возрастает от 0.7 А (1) вой решеточно-согласованной AlGaAs-гетероструктуры.

до 8.3 А (2) и 13.6 А (3) [22].

Когда мы опубликовали первую работу на эту тему, мы были счастливы считать себя первыми, кто обнаружил уникальную, фактически идеальную гетероструктуру — решеточно-согласованную систему для GaAs, но как – высокоэффективные светодиоды на одиночной гетероструктуре (ОГС) и на ДГС[23], часто случается, одновременно и независимо те же самые результаты были достигнуты Х. Руппрехтом и – солнечные элементы на гетероструктурах [24], Дж. Вудолом в исследовательском центре им. Т.Уотсона – биполярные транзисторы на гетероструктурах [25], корпорации IBM [18].

– тиристорные p-n-p-n-переключатели на гетероДальнейший прогресс в области полупроводниковых структурах [26].

гетероструктур был стремительным. Прежде всего мы Большинство этих результатов было воспроизведено в экспериментально подтвердили уникальные инжекцион- других лабораториях в течение 1–2 лет, а в некоторых ные свойства широкозонных эммитеров и эффект су- случаях даже позже. Но в 1970 г. международная конкуперинжекции [19], продемонстрировали стимулирован- ренция стала очень сильной. Позже один из наших основное излучение в A1GaAs-ДГС [20], установили зонную ных конкурентов И.Хаяши, который работал вместе с диаграмму AlxGa1-xAs–GaAs-гетероперехода, тщательно М. Панишем в лаборатории корпорации Bell Telephone изучили люминесцентные свойства и диффузию носи- в Мюррэй Хилл, писал [27]: ”В сентябре 1969 г. Жорес телей в плавном гетеропереходе, а также чрезвычайно Алферов из Института Иоффе в Ленинграде посетил интересные особенности тока через гетеропереход, на- нашу лабораторию. Мы узнали, что он уже получил (300) пример, диагональные туннельно-рекомбинационные пеJth = 4.3кА/см2 на ДГС. До этого мы не осознавали, реходы непосредственно между дырками из узкозонной что конкуренция настолько плотная, и удвоили наши усии электронами из широкозонной составляющих гетеролия... О непрерывном режиме лазерной генерации при перехода [21].

комнатной температуре было сообщено в мае 1970...”.

В это же самое время мы создали большинство наи- В нашей статье, посланной в печать в мае 1970 г. [28], более важных приборов, в которых были реализованы непрерывный режим лазерной генерации был реализован основные преимущества гетероструктур:

в лазерах с полосковой геометрией, для формирования – низкопороговые ДГС лазеры при комнатной темпе- которых была использована фотолитография, и устаноратуре [22] (рис. 1), вленных на медных теплоотводах, покрытых серебром Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Radiation intensity (arb. units) 6 Ж.И. Алферов 1971 г. [35]. В том же самом году Х. Когельник и К.В. Шэнк рассмотрели возможность замены резонатора 200 mA Фабри–Перо или подобных ему в лазерах на краситеMetal SiO2 лях на периодические объемные неоднородности [36].

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.