Элементы низкоразмерных структур

Природа потенциальных барьеров, используемых для создания низкоразмерных структур, неизбежно определяет свойства этих структур. Реальные границы раздела привносят дополнительные квантовые эффекты, которые следует учитывать при конструировании наноэлектронных, оптоэлектронных и оптических приборов. Рассмотрим электронные свойства границ раздела и комбинированных структур, включающих низкоразмерные элементы.

Свободная поверхность и межфазные границы. Практическая реализация квантового ограничения и связанных с ним эффектов требует пространственной локализации электронов. В твердых телах это может быть достигнуто путем использования свободных поверхностей и межфазных границ. Свободная поверхность (free suiface)любого твердого тела представляет собой естественный потенциальный барьер. Разрешенные энергетические состояния электронов при переходе через поверхность изменяются скачкообразно. Высота и пространственная конфигурация такого барьера определяются расположением атомов твердого тела на поверхности и вблизи нее, а в особенности - чужеродными (примесными) атомами и молекулами, адсорбированными на поверхности. Поверхностные свойства кристаллов, находящихся в вакууме, определяются несколькими приповерхностными моноатомными слоями, которые по своей атомной конфигурации отличаются от таковых в объеме кристалла. Поверхностный слой кристалла, свободный от адсорбированных частиц, обычно подвержен структурным изменениям, которые называют реконструкцией (reconstruction). В некоторых редких случаях, однако, он может оставаться переконструированным ( nonreconstructed). Реконструкция поверхности является следствием перестройки оборванных связей поверхностных атомов, как это показано на рис. 1.9. На нереконструированных поверхностях (их еще называют релаксированными - relaxed) расположение атомов в поверхностном слое сохраняется таким же, как и в объеме, хотя расстояние между верхними моноатомными слоями уменьшается. Это находит свое объяснение в рамках представлений о двухатомной молекуле. Следуя этим представлениям, расстояние между атомами в приповерхностном слое характеризуется величинами промежуточными между межатомными расстояниями в объеме кристалла и в свободной двухатомной молекуле, состоящей из тех же атомов, что и кристалл. Поскольку межатомные расстояния в двухатомной молекуле меньше, чем в кристалле, то существует движущая сила для релаксации атомов на поверхности. В процессе такой релаксации в плоскости поверхности атомы сохраняют свое взаимное расположение таким, как оно проецируется из объема, но расстояние между атомными плоскостями уменьшается. Другим возможным вариантом является латеральная (боковая) релаксация. При ней верхний моноатомный слой с сохраненным расположением атомов в плоскости слоя сдвигается относительно плоскости нижележащего слоя.

Рис. 1.9.Реконструкция поверхности кристалла вследствие перестройки связей поверхностных атомов. Стрелками показаны направления смещения атомов

Поверхностные атомы с разорванными ковалентными или ионными связями могут сгруппироваться в ряды с межатомными расстояниями больше или меньше, чем в объеме. Ближайшие соседние поверхностные атомы сближаются для образования связей за счет своих незадействованных валентных электронов и таким образом понижают энергию системы. При этом происходит реконструкция поверхности, характеризующаяся измененными (по отношению к объему) позициями атомов и образованием новой элементарной ячейки. Различают консервативную и неконсервативную реконструкции. При консервативной реконструкции число атомов в поверхностном реконструируемом слое сохраняется, как это показано на рис. 1.9. Реконструкция же состоит только в смещении поверхностных атомов из их идеальных для объема данного кристалла положений. При неконсервативной реконструкции число атомов в реконструированном слое уменьшается - часть их в результате перестройки связей покидает поверхность. Особенности реконструированной поверхности влияют на ее электронные свойства и на последующее эпитаксиальное осаждение на нее других материалов. Адсорбированные на поверхности атомы и молекулы образуют связи, нетипичные для объема твердого тела. В результате атомная структура и, соответственно, фундаментальные электронные свойства приповерхностного слоя приобретают существенные отличия от свойств, типичных как для объема твердого тела, так и для его реконструированной или нереконструированной поверхности. Когда две свободные поверхности располагаются близко друг к другу (как, например, в квантовой пленке или квантовом шнуре), модифицированные приповерхностные слои могут перекрываться и кардинально изменять свойства таких структур. Точный контроль потенциального барьера у свободной поверхности и управление им затруднены из-за неконтролируемой адсорбции примесей. Более того, достаточно сложно реализовать инжекцию носителей заряда через такой барьер, что необходимо для приборных применений. Как следствие этого, свободные поверхности следует рассматривать в качестве одного из важнейших элементов низкоразмерных структур, хотя их непосредственное использование в приборных структурах обычно ограничено пассивными функциями. Межфазпые границы (inteifaces)образуются между материалами с различными физическими свойствами. В случае полупроводников из всех возможных комбинаций монокристаллической, поликристаллической и аморфной фаз граница между двумя монокристаллическими областями имеет наиболее управляемые и воспроизводимые свойства. Для того чтобы получить потенциальный барьер на такой границе, должно удовлетворяться одно из следующих требований. Если контактирующие полупроводники имеют одинаковый химический состав, они должны отличаться типом основных носителей заряда, а при одинаковом типе основных носителей заряда ‒ их концентрации должны быть существенно различны. Полупроводники же с разным химическим составом должны иметь близкие, а в идеальном случае ‒ совпадающие параметры решеток. Потенциальные барьеры, образованные на границе двух материалов с одинаковым химическим составом, обычно являются широкими и гладкими. Это - результат диффузионного перераспределения примесей, придающих определенные донорные или акцепторные черты контактирующим областям. Взаимная диффузия компонентов на границе материалов с различным химическим составом обычно ограничена несколькими моноатомными слоями (один моноатомный слой ‒ это самый тонкий слой, содержащий полный стехиометрический набор атомов данного материала). Для таких границ характерны резкие, ступенчатые потенциальные барьеры. Они образуются в гетероэпитаксиальных структурах полупроводников, создаваемых из бинарных, тройных и четверных соединений групп A^IIIB^V и A^IIB^VI. Подходящие пары материалов в данном случае определяет требование согласованности кристаллических решеток. Формируются такие структуры в виде сверхрешеток.

Сверхрешетки. Монокристаллическую пленку из одного материала, воспроизводящую постоянную решетки монокристаллической подложки из другого материала, называют сверхрешеткой (superlattice).Когда оба материала имеют идентичные или очень близкие постоянные решеток, они образуют так называемые псевдоморфные (pseudomorphic) сверхрешетки. Среди полупроводников таких материалов очень мало. Между тем и равенство постоянных решеток не является строго необходимым условием для псевдоморфного роста одного материала на другом. В пределах некоторой ограниченной толщины наносимой пленки возможно «заставить» осаждаемые атомы занимать позиции, соответствующие расположению атомов в подложке, даже если это расположение отличается от равновесного расположения атомов в объемном материале пленки. При этом образуется напряженная (strained) сверхрешетка, структура которой, однако, совершенна. Формирование напряженной сверхрешетки в случае, когда постоянная решетки у материала подложки меньше, чем у материала пленки, схематически проиллюстрировано на рис. 1.10. Напряжения в такой пленке возрастают по мере увеличения ее толщины. По достижении некоторой критической толщины они релаксируют посредством образования дислокаций несоответствия, высвобождая накопленную в напряженном состоянии энергию и понижая полную энергию системы. Кристаллическая решетка наносимого материала приобретает свой естественный вид, и при дальнейшем поступлении материала на подложку пленка растет с уже релаксированной (relaxed) сверхрешеткой. Критическая толщина пленки зависит от величины рассогласования постоянных решеток и модулей упругости материалов пленки и подложки при температуре осаждения. В принципе, не превышая критической толщины, можно сформировать напряженную сверхрешетку из любого полупроводника на подложке с тем же типом кристаллической решетки. На практике для создания качественных потенциальных барьеров на сверхрешетках желательно наименьшее рассогласование.

Рис. 1.10.Образование напряженной и релаксированной сверхрешеток. Стрелками показаны сжимающие напряжения параметров решеток пленки и подложки, а также определенное различие их электронных свойств.

Среди полупроводников имеется достаточный выбор материалов, отвечающих этим требованиям. Как псевдоморфные, так и напряженные сверхрешетки, изготовленные путем многократного эпитаксиального осаждения различных по составу полупроводников, используют для формирования встроенных квантовых колодцев, в которых электроны и/или дырки испытывают квантовое ограничение.