Структуры с квантовым ограничением, создаваемым внутренним электрическим полем

Использование электрического поля является одним из наиболее простых и эффективных средств создания условий для квантового ограничения в твердотельных структурах. При этом электрическое поле может быть образовано как внутри самой структуры за счет ее специфического атомарного состава и геометрической конфигурации, так и путем приложения внешнего электрического потенциала к типичной микроэлектронной структуре.

Структуры с квантовым ограничением, создаваемым внутренним электрическим полем. Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках, так же как и гетеропереходы, образованные различными полупроводниками или полупроводником и диэлектриком, неизбежно индуцируют локальное перераспределение зарядов. Возникающее в результате этого внутреннее электрическое поле используют для создания потенциальных барьеров, ограничивающих движение электронов в наноразмерных областях. Данный подход может быть охарактеризован как «электронное» формирование низкоразмерных структур. Например, квантовый колодец: структура, состоящая из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (или полупроводника и диэлектрика), в которой наноразмерная область из материала с меньшей шириной запрещенной зоны находится между областями из материала с большей шириной запрещенной зоны, действует как квантовый колодец («квантовая яма», quantum well)для подвижных носителей заряда. Материал с меньшей шириной запрещенной зоны образует собственно колодец, а соседние области создают потенциальные барьеры, играющие для этого колодца роль стенок. Повторение такой структуры в пространстве дает периодические квантовые колодцы (multiquantum wells). Классическим примером твердотельных квантовых колодцев служат сверхрешетки, изготовленные из полупроводников с различными электронными свойствами. Однако свойствами квантовых колодцев обладают и наноструктуры из полупроводников, встроенных в диэлектрические матрицы (даже при отсутствии согласования их кристаллических решеток). Примером таких структур являются наноразмерные кластеры и слои кремния, встроенные в диоксид кремния. Для построения энергетической диаграммы квантового колодца необходимо соответствующим образом соединить зоны проводимости и валентные зоны материала колодца и материала барьера. Алгоритм данного соединения дает правило Андерсона, основанное на использовании такой характеристики материала, как сродство к электрону (electron affinity) χ‒ энергии, необходимой для переноса электрона со дна зоны проводимости Е_с в вакуум. Сродство к электрону практически не зависит от положения уровня Ферми (в отличие от работы выхода, которая отсчитывается от уровня Ферми и поэтому существенно зависит от степени легирования материала). На рис. 1.13 показано соединение зон на границе между узкозонным материалом А со сродством к электрону χ_Аи широкозонным материалом В со сродством к электрону χ_Вв для случая, χ_А > χ_В.

Рис. 1.13.Согласование энергетических зон на границе гетероперехода в соответствии с правилом Андерсона

Правило Андерсона (Anderson's rule)устанавливает, что для двух материалов, образующих гетеропереход, энергии электронных состояний одинаковы. Это возможно, когда сдвиг между зонами проводимости ΔЕс = Е_св - Е_сА = χ_А > χ_В· Соответственно сдвиг между валентными зонами ΔЕv может быть определен на основе приведенной диаграммы с учетом сродства к электрону и ширины запрещенной зоны в каждом материале.

В периодических квантовых колодцах типа 1 дно зоны проводимости широкозонного полупроводника располагается выше дна зоны проводимости узкозонного полупроводника. Для потолка валентной зоны эти соотношения обратны, т. е. потолок валентной зоны широкозонного полупроводника лежит ниже потолка валентной зоны узкозонного полупроводника. Такие энергетические соотношения приводят к тому, что и электроны, и дырки локализуются и испытывают квантовое ограничение геометрически в одной и той же области, а именно - в области узкозонного полупроводника, т. е. в колодце. Такую структуру называют пространственно прямозонной.

Тип 11периодических квантовых колодцев отличается от типа I тем, что при одних и тех же энергетических соотношениях для дна зоны проводимости потолок валентной зоны широкозонного полупроводника находится выше потолка валентной зоны узкозонного полупроводника, поэтому электроны и дырки локализуются и испытывают квантовое ограничение в разных областях. Такой тип структур является пространственно непрямозонным. В типе 11выделяют также специфический случай, относящийся к узкозонным полупроводникам и полуметаллам. На рис. 1.14 он обозначен как тип llB. Для него характерно наличие очень малого энергетического зазора между уровнем дырок и уровнем электронов в соседних областях.

Рис. 1.14.Расположение энергетических зон в квантовых колодцах, образованных узкозонным материалом А и широкозонным материалом В. Штриховыми линиями обозначены минимальные уровни энергии электронов и дырок, разрешенные в соответствии с квантовым ограничением

Квантовые колодцы являются одним из наиболее важных элементов большинства наноэлектронных и оптоэлектронных приборов.