Слаботочка Книги

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [22] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119

этой области; вне зависимости от знака смещения стационарный ток через структуру не протекает, так как диэлектрик является непреодолимым потенциальным барьером (рис. 2.8,6).

Заметим, что при любом методе изготовления МДП-структуры внутри окисла около границы раздела диэлектрик - полупроводник образуется встроенный поверхностный заряд плотностью Qss (как правило, положительный), искривляющий энергетические зоны и без приложения внешнего смещения (рис. 2.8,в).

В зависимости от знака и значения приложенного напряжения можно выделить четыре характерных случая (знаки напряжения указаны для структуры рис. 2.8 с полупроводником р-типа). При большом отрицательном смещении внешнее поле преодолевает экранирующее действие встроенного заряда, дырки притягиваются из объема к поверхности, имеет место режим аккумуляции (накопления) основных носителей (рис. 2.8,г).

При некотором отрицательном напряжении U„,s происходит точная компенсация искривления зон, вызванная наличием встроенного заряда (рис. 2.8,(3); Uu.3 называют потенциалом плоских зон.

При 0<си<с\и„,а\ дырки из приграничной области вытесняются- наступает режим обеднения (рис. 2.8,е). Эта ситуация сохраняется до тех пор, пока уровень Ферми у границы не совпадает с серединой запрещенной зоны. При дальнейшем увеличении смещения начинается приток электронов из объема полупроводника, имеет место инверсия типа проводимости, т. е. накопление в этой области неосновных носителей (рис. 2.8,ж).

Основополагающее уравнение МДП-структуры определяется теоремой Гаусса; в стационарном состоянии вследствие отсутствия токов в системе условие электронейтральности приобретает вид:

Qм + Qss + Qnn + Qunш=-o, (2.32)

где Qm, Qnn, <Эинж - плотности заряда металла (электрода), объемного заряда полупроводника и заряда дырок или электронов, инжектированных (введенных) в область объемного заряда (рис. 2.9). Строго говоря, это состояние квазистационарное, так как Синж изменяется вследствие рекомбинации дырок и электронов. Решение уравнения Пуассона при известном распределении зарядов позволяет получить распределения потенциала и напряженности поля. Функционально МДП-структура может рассматриваться как управляемый (напряжением, светом и т. п.) конденсатор; малые токи утечки (вследствие неидеальности диэлектрика) обусловливают большую длительность сохранения неравновесного состояния.

Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют (внутри единого монокристалла) полупроводники с различными значениями ширины запрещенной зоны (рис. 2.10).. Принципиальное физическое отличие р-п-гетероперехода от р-п-перехода в гомогенном полупроводнике связано со следующими моментами.

Рис. 2.10. Зоииая диаграмма гетеро-структуры GaAlAs-GaAs

Рис. 2.9. Распределение плотности зарядов в МДП-структуре (полупроводник к-типа) при внешнем отрицательном смещении и инжекции пакета дырок в область объемного заряда

Во-первых, разные высоты потенциальных барьеров для встречных потоков электронов и дырок при прямом смещении приводят к строго односторонней инжекции носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. Более того, возможна супер-инжекция, заключающаяся в том, что концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превысить их равновесное значение в эмиттерной области (см. рис. 2.6,е). Это означает, что стремление получить у= 1 в широком интервале изменения прямого тока не накладывает каких-либо ограничений на вид и концентрацию легирующей примеси в эмиттерной и базовой областях - у разработчика оптоэлектронных приборов появляется лишняя «степень свободы».

Во-вторых, оптические свойства эмиттера и базы гетерострук-туры различны и могут в широких пределах изменяться независимо друг от друга. Отсюда, в частности, следует, что широкозонный эмиттер представляет собой «окно» для более длинноволнового излучения, генерируемого (или поглощаемого) узкозонной базой (см. § 2.3, 2.4). Кроме того, различие в значениях Eg ведет и к различию показателей преломления п, что порождает волно-водный эффект, т. е. концентрацию оптической энергии в слое с большим п при распространении излучения вдоль слоя. В гетеро-структуре могут быть созданы как р-п-переходы, так и невьшрям-ляющие изотипные (п-п-или р-р-) переходы.

Таковы зонные диаграммы основных типов активных структур оптоэлектронных приборов и вытекающие из этих диаграмм следствия. Однако для того, чтобы все это реализовать, необходимо иметь технологию, обеспечивающую высокое совершенство фазовых границ, близость изготавливаемых структур к описанным физическим моделям.

Для получения р-п-переходов в гомогенных полупроводниках (Si, GaAs, Ge и др.) используются главным образом высокотемпературная диффузия примесей, ионное легирование (с последующей диффузией), эпитаксиальное выращивание. Все эти процессы хорошо изучены, тщательно отработаны и освоены в промышлен-70

ности. к числу неустранимых неидеальностей относятся: протяженность, нерезкость перехода от р- к п-области (0,5... 1,5 мкм у стандартных кремниевых структур); снижение времени жизни носителей заряда вследствие попадания в монокристалл неконтролируемых примесей; возникновение механических напряжений (и, как следствие, снижение Тр) при высоких концентрациях донорных (акцепторных) примесей и в особенности при резких изменениях этих концентраций.

Для р-1-п-структур используются те же технологии, при этом чаще, чем для р-п-переходов, применяется эпитаксиальное выращивание, в особенности его низкотемпературные модификации. Это связано со стремлением максимально приблизить свойства среднего слоя к свойствам полупроводника собственной проводимости.

Основной метод получения барьеров Шотки - вакуумное испарение металла на тщательно очищенную поверхность полупроводника; наиболее типичное нарушение совершенства контакта заключается в возникновении тонкого переходного слоя диэлектрика (обычно окисла полупроводника) под металлическим электродом.

Подчеркнем еще раз совершенство упомянутых технологических процессов - очень часто при употреблении термина «идеальный» р-п-переход (р-./-п-структура, барьер Шотки) правомерно опустить кавычки.

Иначе обстоит дело в случае МДП-структур. Как уже отмечалось, на границе раздела полупроводник - диэлектрик не удается избежать образования поверхностного заряда, экранирующего внешнее электрическое поле. Основные методы получения пленки диэлектрика - термическое окисление полупроводника или ион-но-плазменное распыление диэлектрика - позволяют достичь Qssi/» 10 см- (иногда около 10", но не менее 10). Дополнительные трудности связаны с тем, что этот заряд (хотя бы частично) оказывается подвижным (особенно при повышенных температурах) и при приложении внешнего напряжения «мигрирует».

Технологически наиболее сложным является создание гетеропереходов. Дело в том, что для реализации всех уникальных свойств этих структур, предсказываемых физикой, необходимо получить совершенные гетерограницы, а для этого постоянные решеток «сращиваемых» полупроводников должны быть практически одинаковыми. В противном случае на границе возникают дислокации несоответствия, сетки таких дислокаций и, наконец, дефектные слои. Обобщение эмпирических данных приводит к заключению, что гетероструктура может считаться практически идеальной, если

(Д а/а) < 10" мкм- , (2.33)

где Да - разность постоянных решетки по разные стороны гете-рограниц, /б - толщина базовой области между двумя гетерогра-ницами. При этом всегда должно быть Да/а< 10, даже при очень толстой базе.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [22] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119