2.4.2. Модуляционно-легированные структуры

Традиционный путь создания в полупроводниках областей с требуемым типом основных носителей заряда (электроны или дырки) предполагает легирование этих областей донорными или акцепторными примесями. Когда при температуре выше абсолютного нуля электроны или дырки покидают примесные атомы, они оставляют их в ионизированном состоянии. При этом по мере увеличения концентрации образующихся свободных носителей заряда их подвижность снижается из-за усиления рассеяния носителей на ионизированных примесях за счет кулоновского взаимодействия с ними. Поэтому необходимость достижения большой концентрации подвижных носителей заряда вступает в противоречие с возможностью обеспечить их высокую подвижность. Между тем высокочастотные полупроводниковые приборы требуют больших концентраций носителей заряда с максимально возможной подвижностью.

Рис. 2.5. Bид зоны проводимости в окрестности гетероперехода, образованного полупроводником A с малой шириной запрещенной зоны и полупроводником B с большой шириной запрещенной зоны

Эта проблема решается в модуляционно-легированных структурах (modulation-doped structures), в которых область полупроводника, где генерируются носители заряда, и область, где осуществляется их перенос, пространственно разделены. Для этого используются гетероструктуры, образованные полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Электронные процессы в модуляционно-легирован­ной структуре иллюстрируют энергетические диаграммы (рис. 2.5).

B модуляционно-легированной струк­туре донорная примесь обычно вводится в полупроводник с большей шириной запрещенной зоны. Структура сохраняет свою электрическую нейтральность до тех пор, пока электроны находятся у своих донорных атомов. Как только электроны покидают донорные атомы (вследствие тепловой активации при T>0K), они пересекают границу раздела и переходят в соседнюю область с более низкой потенциальной энергией. Там электроны теряют свою энергию и оказываются захваченными в приграничной области, поскольку не имеют возможности преодолеть потенциальный барьер (ΔEc) и вернуться обратно. Эти электроны оказываются пространственно отделенными от сильно легированной донорной примесью области полупроводника, откуда они поступили.

Скатившиеся в потенциальную яму электроны индуцируют электростатический потенциал, который (наряду с притяжением положительно заряженными ионами примеси) «прижимает» их к границе между материалами А и B. B результате у границы гетероперехода для электронов образуется квантовый колодец с примерно треугольным пространственным профилем распределения потенциала. Ширина этого колодца имеет порядок нескольких нанометров. B нём энергетические уровни для поперечного (вдоль оси х) движения электронов оказываются квантованными, как и в прямоугольных квантовых колодцах. Заняты только нижние энергетические уровни. Однако электроны на этих уровнях сохраняют свободу для движения в двух других направлениях, т. е. в плоскости, параллельной плоскости гетероперехода. Каждый такой уровень представляет собой дно одной из двумерных подзон размерного квантования. Так, в слаболегированном узкозонном полупроводнике у границы гетероперехода образуется двумерный электронный газ (2DEG). Электроны в нем заполняют делокализованные в двух направлениях состояния. Для формирования двумерного электронного газа вполне достаточно одного локализованного в поперечном направлении уровня.

Гетероструктура, изготовленная как сверхрешетка из n-AlGaAs (материал с большей шириной запрещенной зоны) и нелегированного GaAs, представляет классический пример модуляционно-легированной структуры. Подвижность электронов в ней выше на несколько порядков и при низких температурах достигает 2∙107 см2В-1с-1, что является рекордом для GaAs. Между тем слоевая концентрация электронов в двумерном электронном газе остается не очень высокой – менее 5∙1011 см-2.

Модуляционное легирование дает два важных преимущества: во-первых, электроны оказываются отделенными от донорных атомов, что ослабляет их рассеяние ионизированными примесями, во-вторых, у границы гетероперехода образуется двумерный электрон