Современная электроника №1/2025

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 16 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2025 На рис. 3 приведено схематическое изображение направления векторов спина (угловой момент) и импульса (количества движения): a) для элек- тронов, b) дырок в объёмных образ- цах, c) дырок в образцах с квантово- размерным эффектом (КРЭ) [3]. В объёмных образцах типичных полупроводников направление век- тора спина электрона (синяя стрел- ка) не коррелирует с направлением его вектора импульса (чёрная стрел- ка на рис. 3а). Для объёмных образцов псевдоспин дырки имеет то же самое направление, что и импульс (рис. 3b). Для КРЭ-нанокристаллов в валентной зоне (Valence Band – VB) проявляют- ся дополнительные эффекты (рис. 3с), для описания которых вводится поня- тие «тяжёлые дырки» (Heavy Holes). Под термином «НН» подразумевает- ся тип носителей заряда в валентной зоне (VB), характеризующихся относи- тельно большой эффективной массой по сравнению с другими носителями заряда [4]. Тяжёлые дырки влияют на «плот- ность состояний» (ПС), определяю- щих число состояний, приходящихся на единицу энергии в единице объёма. Для повышения производительно- сти гетероструктуры в решётку полу- проводника вводят примеси (леги- рование), изменяющие плотность носителей заряда. Например, при легировании N-типа добавляются такие элементы, которые обеспечива- ют дополнительные электроны, уве- личивающие проводимость. Кроме того, введение легирующих примесей в гетероструктурах GaAs/AlGaAs позво- ляет изменять ширину запрещённой зоны и влиять на поведение электро- нов и дырок в материале. В классическом варианте в таких гетероструктурах (рис. 2) слои арсени- да галлия слабо легированы. Плотно- сти легирования N D = 1×10 14 см –3 (коли- чество атомов легирующей примеси на кубический сантиметр GaAs). В то же время слои алюминий – галлий арсенида легируются с высокой плот- ностью около N D = 1×10 18 см –3 . Такой подход обеспечивает дополнитель- ные электроны в слое AlGaAs, которые переходят в слой GaAs. В результате электроны из легирующих примесей в слое AlGaAs могут туннелировать на границе раздела в более низкие энер- гетические состояния. Крайне важным является то, что такая структура создаёт высокопод- вижный электронный канал на гра- нице, сохраняя при этом легирующие примеси физически отделёнными от проводящих электронов. Таким обра- зом, создаются необходимые условия для формирования гетероперехода. На рис. 4 схематически показана зонная структура квантовой ямы (QW) на основе GaAs, ограниченной барье- рами из AlGaAs [5]. На границе кристаллов GaAs/Al x Ga 1–x As образуется гетеропереход так назы- ваемого «первого рода» с энергетиче- скими барьерами ΔEc для зоны про- водимости и ΔEv для валентной зоны, которые образуют потенциальные ямы соответственно для электронов и дырок в направлении оси z, перпенди- кулярной плоскости слоя. Если шири- на ямы L z сравнима с длиной волны де Бройля для электронов и дырок, их z-компонента волнового вектора k принимает дискретные значения, что приводит к квантованию энергии электронов в зоне проводимости (E 1c , E 2c , E 3c ) и двух типов дырок в валент- ной зоне: тяжёлых (E 1hh , E 2hh , E 3hh ) и лёг- ких (E 1lh , E 2lh ). В КРЭ-нанокристаллах вектор псев- доспина тяжёлых дырок НН, перпен- дикулярный их импульсу, совпадает по направлению с осью ограничения распространения носителей заряда (рис. 2с). Поэтому в энергетическом плане в образцах с КРЭ-ограничением тяжёлые дырки имеют преимущество по сравнению с другими носителями заряда. В результате кривизны валент- ной зоны вблизи вершины плотность состояний для тяжёлых дырок в этой области выше. Как противоположность тяжёлым дыркам, вводится понятие «лёгкие дырки» (Light Holes – LH), которые имеют меньшую эффективную массу. Благодаря увеличенной эффектив- ной массе НН-дырки менее подвиж- ны, и они медленнее перемещаются через кристаллическую решетку под действием электрического поля по сравнению с LH-дырками. В структурах с квантовыми ямами уровни энергии для тяжёлых дырок располагаются ниже, чем для лёгких дырок. Такое расположение возника- ет из-за разницы в эффективных мас- сах и кинетических энергиях. Различие между объёмными и КРЭ- образцами проявляется также в пове- дении экситонов, которые представ- ляют собой пару электрон–дырка, связанную посредством электроста- тической кулоновской силы. В объёмном образце GaAs неста- бильные при комнатной температу- ре экситоны ионизируются и поднима- Рис. 3. Схематическое изображение направления спина (синие и песочные стрелки) и импульса (чёрные стрелки): a) для электронов; b) дырок в объёмных образцах; c) дырок в образцах с КРЭ Рис. 4. Зонная структура квантовой ямы (QW) на основе GaAs, ограниченной барьерами из AlGaAs Волновая функция электрона Волновая функция дырки GaAs GaAs E g0 E g1 < E g0 E v E c E c E v 10 nm Al 0,2 Ga 0,8 As Al 0,2 Ga 0,8 As Al 0,2 Ga 0,8 As Al 0,2 Ga 0,8 As Электрическое поле > 0 Электрическое поле = 0 (a) (b) (c)