Каждый кристалл имеет в своей основе кристаллическую решетку, в узлах которой расположены атомы или ионы. Для того, чтобы получить сверхрешетку, необходимо навязать кристаллу еще один период - превышающий период кристаллической решетки в несколько раз. Наиболее простой способ - соединить несколько слоев различных материалов. Получение таких структур важно в первую очередь для создания целого ряда устройств - нелинейных преобразователей СВЧ сигналов, генераторов и усилителей ЭМ сигналов, частоты в которых можно перестраивать в довольно широком диапазоне и пр.. Все знают, что движение электронов в кристаллической решетки представляет собой движение в пространственно периодическом поле. В энергетическом отношении уровни сливаются в зоны, и электроны могут занимать только определенные уровни энергии в так называемых энергетических зонах, разделенных интервалами запрещенных энергий. Было бы неплохо иметь механизм, позволяющий управлять параметрами периодической структуры, энергетическими зонами, их шириной. Для этого и были созданы сверхрешетки или искусственные кристаллы. Меняя толщину прослоек, химический состав материалов, можно менять периодические свойства в широких пределах.
Классическим примером сверхрешетки может быть структура, состоящая из чередующихся тонких слоев полупроводника. Период сверхрешетки превышает постоянную кристаллической решетки, но меньше длины свободного побега электронов. Помимо периодического потенциала кристаллической решетки сверхрешетка обладает потенциалом, обусловленным периодичностью ее структуры. Этот потенциал называется потенциалом сверхрешетки. Различают два основных вида сверхрешеток. Это композиционные сверхрешетки и nipi сверхрешетки. Композиционные состоят из полупроводников разного химическго состава, их еще называют гетероструктурными сверхрешетками. nipi сверхрешетки состоят из слоев полупроводника с разными типами проводимости, чередующимися с собственными полупровдниками. Отсюда и сокращенное название, ясно определяющее периодическую структуру.
В композиционной сверхрешетке 1-го типа (см.рисунок 1а) разрывы зон имеют разные знаки, а запрещенная зона одного полупроводника полностью охватывает запрещенную зону второго. Формируются квантовые ямы для дырок и элекронов. Квантовое ограничение ностелей заряда происходит внутри одних и тех же слоев, образующих яму. Первая сверхрешетка типа I была построена для системы GaAs - AlxGa1-xAs. На рисунке 2 показана схема распложения слоев (слева) и зонная диаграмма в зависимости от координаты (координата по оси ординат, энергия по оси обсцисс). Видно,что в зоне проводимости появляются электронные подзоны,а в валентной - дырочные. Иногда используют материалы с разной величиной постоянной решетки. Тогда согласование решеток происходит за счет напряжений между тонкими слоями. В композиционной сверхрешетке 2-го типа разрывы зон имеют одинаковый знак (см.рисунок 1б), а запрещенные зоны могут и вовсе не перекрываться. В этом случае квантовое ограничение носителей заряда происходит в слоях разных материалов. Валентная зона одного материала расположена близко к зоне проводимости другого. Типичным примером могут служить соединения типа In1-xGaxAs - GaSb1-yAsy (см.рисунок 3). В политипной сверхрешетке в дополнение к сверхрешетке 2-го тип появляется третий широкозонный полупроводник, представляющий потенциальный барьер как для дырок, так и электронов. В качестве широкозонного материала можно испльзовать AlSb, полностью перекрывающий запрещенные зоны GaSb и AlAs (см. рисунок 4).
Список используемых источников
1 Херман М. Полупровдниковые сверхрешетки: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
2 Ю.П., КардонаМ. Основы физики полупровдников: Пер. с англ. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002
А как же искривления зон? Почему про 