Отличие электронных свойств полупроводниковых сверхрешеток от свойств однородного полупроводника связано с наличием периодического потенциала сверхрешетки. Это хорошо видно на примере композиционных сверхрешеток 1-го типа, в которых энергетические состояния узкозонного полупроводника расщепляются в одномерные мини-зоны разрешенных энергий, разделенные узкими конечными промежутками (см. рисунок 1 а,б). Волновые функции сверхрешеток обычно представляют в виде линейной комбинации блоховских волновых функций центра зоны Бриллюэна, модулированных плавными огибающими, соответствующими периодичности сверхрешеточной структуры (см. рисунок 2 для композиционной сверхрешетки 1-го типа). Волновые функции сверхрешеток имеют очень важное значение, в частности для определения оптических характеристик.
Полное физическое описание сверхрешеточных структур достаточно сложно. Обычно ограничиваются исследованием трех основных проблем: электронных свойств, оптических свойств и коллективных колебаний в сверхрешетках. Наш рассказ начнем с рассмотрения электронных свойств полупроводниковых сверхрешеток, определяющих энергетическую структуру. Все ниже описанное относится в первую очередь к структурам типа AIIIBV.
В композиционных сверхрешетках материалы, составляющие гетероструктуру, обычно согласуются по параметру сверхрешетки или же при его первоначальном отсутствии за счет деформации слоев так, что периодичность структуры сохраняется. Расчет однородных полупроводниковых структур всегда ведется с учетом периодичности, основным образующим элементом которой является элементарная ячейка кристалла. В случае сверхрешетки задача усложняется: ведь теперь еще необходимо учитывать и периодичность в направлении роста структуры. Период сверхрешетки d значительно превосходит период кристаллической структуры a. Благодаря этому расчет энергетических характеристик сверхрешеток можно проводить при помощи метода огибающей функции. В приближении метода сильной связи энергетические состояния сверхрешетки строятся на основе энергетических состояний атомов, составляющих материал сверхрешетки. Метод огибающей учитывает естественную периодичность, принимая во внимание понятие эффективной массы, в то время как сверхрешеточная периодичность действует на огибающую. В зависимости от характера периодичности сверхрешетки могут быть одно-, дву- и трехмерными. Поскольку потенциал сверхрешетки периодичен, то решение уравнения Шрёдингера ищется в виде блоховских функций (см. рисунок 3). Энергетический спектр электронов и огибающая волновая функция находятся из одноэлектронного уравнения Шрёдингера (см. рисунок 4), где me - эффективная масса электронов, а функция Ec(z) описывает профиль потенциальной ямы. В плоскости квантовой ямы движение электронов практически неограничено, поэтому об электронах в квантовых ямах говорят как о двумерном электронном квантовом газе. Метод огибающей функции достаточно хорошо совпадает с экспериментальными результатами для сверхрешеток 1-го и 2-го типа.
Отличие легированных сверхрешеток от композиционных состоит в том, что здесь мы имеем дело с однородным материалом, на который наложен лишь периодический модулирующий потенциал сверхрешетки (см. рисунок 5). При условии, что легирование однородно и ширины донорных и акцепторных областей равны, действует формула для периодического потенциала пространственного заряда (см. рисунок 6). Возможные несоответствия постоянных решетки и связанные с этим деформационные напряжения отсутствуют. Часто заряды ионов, входящих в легированную сверхрешетку, принимают за объемный заряд с однородными распределениями плотности носителей заряда – периодические функции координаты, изменяющиеся вдоль оси роста структуры оси z (см.рисунок 7). Необходимо отметить, что параболичность наблюдается только в случае достаточно тонких слоев d. В легированных сверхрешетках эффективная ширина запрещенной зоны (расстояние между экстремальными значениями потолка валентной и дна ПОДзоны проводимости) меньше, чем в композиционных. Это связано с легированием материалов, уровень которого определяет положение энергетических уровней в подзонах. В остальном же, при исследовании энергетических характеристик используют практически теже приемы, что и для композиционных решеток.
Список используемых источников
1 Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
2 Силин А. П. Полупроводниковые сверхрешетки, УФН, 1985, т. 147, с. 485
?