2.4.3. Дельта-легированные структуры

Полупроводниковую структуру с существенно неравномерным профилем распределения примесей, характеризующимся локализацией примесных атомов в очень тонком внутреннем слое (в идеале – в пределах одного монослоя), называют дельта-легированной (δ-легированной) структурой (delta-doped (δ-doped) structure). Энергетическая диаграмма такой структуры представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Энергетические зоны в дельта-легированной полупроводниковой структуре

Носители заряда в сильно легированной области связаны кулоновским взаимодействием с порождающими их примесными атомами, поэтому они не уходят далеко от области локализации примесей. Электрическое поле ионизированных примесных атомов экра

нируется полем свободных носителей заряда. Для подвижных носителей образуется V-образный квантовый колодец с пространственным распределением потенциала

(2.9)

где e – заряд электрона, ε – диэлектрическая проницаемость материала, Ni – слоевая концентрация примесей,  – эффективный боровский радиус.

Энергетические состояния в колодце квантуются в соответствии с эффектом квантового ограничения, что приводит к образованию двумерных подзон, которые заполняются электронами вплоть до высоких концентраций.

Одним из примеров дельта-легированных структур является структура, содержащая моноатомный слой кремния, нанесенный на монокристалл GaAs и затем накрытый эпитаксиальным слоем GaAs. Донорные атомы кремния хотя и перераспределяются вследствие диффузии, остаются в окрестности исходного моноатомного слоя. Область квантового ограничения для электронов составляет до 10 нм. Слоевая концентрация электронов в образовавшемся двумерном электронном газе достигает высоких значений (вплоть до 1014см-2), но ценой уменьшения их подвижности.

Структуры, состоящие из периодически расположенных дельта-легированных слоев с проводимостью n-типа и p-типа в материале с собственной проводимостью (i), известны как n-i-p-i структуры. Когда концентрация доноров в n-слое равна концентрации акцепторов в p-слое, свободные носители заряда не имеют возможности двигаться в равновесных условиях. Неравновесные же носители заряда, генерируемые, например, светом, оказываются разделенными внутренним электрическим полем. Их заряд изменяет энергетическую зонную диаграмму точно так же, как это происходит в случае равновесных носителей заряда. Такой же эффект достигается за счет приложения внешнего смещения к n- и p-слоям. Всё это дает возможность эффективно управлять энергетической диаграммой структуры, что важно для определенных приборных применений.