СВЕРХРЕШЁТКА

СВЕРХРЕШЁТКА

- твердотельная периодич. структура, в к-рой наносители заряда (электроны), помимо обычного потенциала кристаллич. решётки(см. Внутрикристаллическое поле), действует дополнит. потенциал. <Как правило, это одномерный потенциал V(r )с периодом d, меньшимдлины свободного пробега электронов, но значительно большим периода о осн. <решётки (от нескольких нм до десятков нм). Наиб. интенсивно исследуютсяполупроводниковые С., но наряду с ними возможны металлич. и магн. С. Потенциал V(r )обычно создаётся искусственно путём чередования тонких полупроводниковыхслоев, отличающихся по типу легирования и (или) хим. составу (композиционныеС., гетероструктуры). В последнем случае С. можно рассматриватькак периодич. систему квантовых ям, разделённых сравнительно узкими барьернымислоями с заметной туннельной прозрачностью для носителей заряда (волновыеф-ции электронов перекрываются).

Если длина свободного пробега носителей существенно превосходит периодпотенциала V(r), то наличие последнего видоизменяет энергетич. спектрэлектронов и дырок. Дополнит. периодичность вдоль одной из осей (z), наз. <о сью С., приводит к тому, что компонента энергетич. спектра, связаннаяс движением вдоль этой оси, представляет систему узких полос - м и н из о н. В перпендикулярной плоскости носители ведут себя как свободные частицыс соответствующей эфф. массой т. Полностью энергетич. спектр носителейзаряда в С. может быть записан в виде

где i- номер минизоны,- её ширина.

На рис. показан вид плотности состояний , соответствующей такому спектру. Значения и (определяющейположение минизоны) зависят от амплитуды и формы V(z). С ростомамплитуды V(z )и её периода d ширина минизоны уменьшается. При узких минизонах волновые ф-ции электронов вдоль оси z перекрываются незначительно (прозрачностьбарьеров мала) и электронный спектр состоит из дискретных уровней (уширенныхрассеянием). Носители заряда в С. локализованы в ямах потенциала V(z), и имеет вид ступеньки. Электронный газ в С. ведёт себя как двумерный. Напротив, <при свойстваС. сходны со свойствами трёхмерного полупроводника.

Плотность состояний в одномерной сверхрешётке. Для сравневпя показаны плотности состояний втрёхмерной (пунктир) и двумерной (штрихпунктир) электронных системах.

Для С. характерна резкая анизотропия важнейших электронных свойств, <в первую очередь кинетич. коэффициентов и внутризонных оптич. характеристик, <где полосы интенсивного межминизонного поглощения существуют лишь для света, <поляризованного вдоль оси С. Последнее обстоятельство позволяет использоватьС. в качестве фильтров и поляризаторов ИК-излученпя. Эффекты межминизонногопоглощения находят применение в ИК-фосоприёмниках с диапазоном спектральнойчувствительности, зависящим от параметров потенциала V(r).

Из-за малой ширины минизон нелинейные эффекты в проводимости вдоль оспС. проявляются при значительно меньших напряжённостях электрич. поля, чемв однородных кристаллах. Это позволяет использовать С. для нелинейногопреобразования СВЧ-сигналов (генерация высших гармоник и комбинац. частот, <самоиндуциров. прозрачность и др.). В пост. электрич. поле, параллельномоси С., вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет падающие N-образные участки. <Благодаря их наличию С. можно использовать в качестве генератора и усилителяэл.-магн. колебаний, частота к-рых может перестраиваться в широких пределахизменением электрич. поля. Сверхрешёточные гетероетруктуры находят применениетакже в лавинных фотодиодах. Благодаря различию в разрывах зоны проводимостии валентной зоны на гетерогранице, коэффициенты умножения электронов идырок могут резко различаться, что способствует снижению шумов при лавинномумножении.

Интерес представляют также т. н. nipi'-сверхрешётки - химически однородныеполупроводники с чередующимися п- и р-слоями, напр. в n-GaAs-i-GaAs- p-GaAs. В них амплитуда потенциала V(r), определяющая эфф. ширину запрещённойзоны, спектры фоточувствительности и люминесценции, а также ряд др. свойствмогут меняться в широких пределах под влиянием внеш. подсветки или управляющегонапряжения между n- и р-слоями.

Для изготовления С. на основе гетероструктур чаще всего используетсясистема с хорошо согласующимися постоянными решётки. Однако последнее требованиене является обязательным, существуют т. н. напряжённые С., где рассогласованиерешёток ликвидируется за счёт внутр. напряжений в слоях. Указанные напряжения, <величина к-рых зависит от толщины слоев, могут заметно изменять параметрыэнергетич. спектра С. (напр., ширину запрещённой зоны). Это открывает дополнит. <возможность управления спектром фоточувствительности и нек-рыми др. свойствами. <Важнейшие материалы для изготовления напряжённых С.- твёрдые растворы ,, и др. <Для приёмников дальнего ИК-из лучения используются С. в системе CdTe -HgTe, успешно заменяющие однородные твёрдые растворы в той же системе. <Осн. методом выращивания как гетероструктурных, так п nipi-C. служитмолекулярно-лучевая эпитаксия.

Возможны также плоские С., к-рые возникают, если в двумерном электронномслое (напр., в МДП-структуpe )периодически промодулировать плотностьповерхностного заряда. В качестве С. для двумерных электронов может такжеиспользоваться поверхность с высокими кристаллографич. индексами (ориентационнаяС.). Наряду с такими статическими С. возможны также динамические С., создаваемыепериодич. деформацией образца в поле мощной УЗ-волны или стоячей световойволны.

Помимо искусственных С., существуют естественные С. в виде политипныхполупроводниковых соединений, напр. SiC, слоистых полупроводников типаА ^III В ^VI (напр., GaSe), дихалькогенидов переходныхметаллов (напр., MoS₂, см. Сверхструктура).

Лит.: Шик А. Я., Сверхрешетки - периодические полупроводниковыеструктуры. (Обзор), «ФТП», 1974, т. 8, в. 10, с. 1841; Osbourn G. С., Strained-layersuperlattices from lattice mismatched materials, «J. Appl. Phys.», 1982,v. 53, p. 1586; Силин А. П., Полупроводниковые сперхрешетки, «УФН», 1985,т. 147, в. 3, с. 485; Басе Ф. Г., Б у л г а к о в А. А., Тетервов А. П.,Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешетками, М., 1989; Xе р м а н М., Полупроводниковые сверхрешетки, пер. с англ., М., 1989; Молекулярно-лучеваяэпитаксия и гетероструктуры, пер. с англ., М., 1989. А. Я. Шик.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.