Физика и технология наноструктурных гетерокомпозиций

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

А.Н. Ковалев
О.И. Рабинович
М.И. Тимошина

Физика и технология 
наноструктурных 
гетерокомпозиций

Учебник

Допущено Научно-методическим Советом по физике 
Министерства образования и науки Российской Федерации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по техническим направлениям подготовки 
и специальностям

Москва  2015

УДК 621:38 
 
К56

Р е ц е н з е н т ы : 

д-р физ.-мат. наук, проф. В.И. Трухин (МГУ); 

д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин (НИТУ МИСиС)

Ковалев А.Н.

К56  
Физика и технология наноструктурных гетерокомпозиций :

учеб. / А.Н. Ковалев, О.И. Рабинович, М.И. Тимошина. – М. :
Изд. Дом МИСиС, 2015. – 460 с.

ISBN 978-5-87623-941-9

Учебник содержит всестороннее изложение базовых элементов физики по
лупроводников, объемное изложение и анализ современных технологий выращивания полупроводниковых материалов, учитывающих квантово-размерные
эффекты (метод молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазная эпитаксия из
металлоорганических соединений, метод Фольмера–Вебера–Странского, Бартона–Кабреры–Ван дер Мерве). Рассмотрены современные многокомпонентные наногетероструктуры, в том числе нитридные, фосфидные и арсенидные
материалы. Представлен и проанализирован широкий спектр приборов опто- и
наноэлектроники. Приведены рабочие характеристики всех видов транзисторов, фотодиодов, солнечных элементов, светоизлучающих диодов и лазеров,
механизмы их деградации и принципы спинтроники на основе нитридов.

Учебник предназначен для бакалавров, магистров, инженеров, обуча
ющихся по специальностям 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная
электроника», 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», 11.03.01 «Радиотехника»,
11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Представляет интерес для широкого круга читателей, специализирующихся в опто- и
наноэлектронике, технологии полупроводниковых материалов и приборов на
их основе.

УДК 621:38

ISBN 978-5-87623-941-9





А.Н. Ковалев,
О.И. Рабинович,
М.И. Тимошина, 2015
НИТУ «МИСиС», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения и сокращения .................................................8
Предисловие ........................................................................................10

1. Основные понятия физики полупроводниковых материалов ......... 11

1.1. Металлы, диэлектрики и полупроводники ................................ 11
1.2. Электропроводность твердых тел ..............................................12
1.3. Основные уравнения движения носителей тока .......................14

1.3.1. Уравнение непрерывности  ..................................................14
1.3.2. Уравнения для плотности токов ..........................................16
1.3.3. Уравнение Пуассона .............................................................17

1.4. Механизмы проводимости твердых тел ....................................19

1.4.1. Прохождение тока через металлический проводник ........19
1.4.2. Прохождение тока через идеальный диэлектрик ...............20
1.4.3. Прохождение тока через идеальный монополярный 
полупроводник ................................................................................22
1.4.4. Произвольный случай ..........................................................26
1.4.5. Биполярная проводимость ...................................................26

1.5. Контактные явления ....................................................................30
1.6. Свойства структуры металл–диэлектрик–полупроводник ......32

1.6.1. Энергетические диаграммы идеальной 
МДП-структуры ..............................................................................32
1.6.2. Собственный полупроводник ..............................................34
1.6.3. Примесный полупроводник .................................................35
1.6.4. Приближение полного обеднения .......................................36
1.6.5. Учет свободных носителей заряда ......................................38

1.7. Выпрямляющий и омический контакты 
металл–полупроводник ......................................................................45

1.7.1. Выпрямляющий контакт ......................................................46
1.7.2. Роль поверхностных состояний ..........................................48
1.7.3. Невыпрямляющий (омический) контакт ............................50

2. Cвойства p-n–перехода  ......................................................................53

2.1. Образование p-n–перехода. Толщина и барьерная емкость 
p-n–перехода ........................................................................................53
2.2. Резкий p-n–переход ......................................................................56
2.3. Линейный симметричный p-n–переход .....................................58
2.4. Неоднородный полупроводник ...................................................60

2.5. Идеальная вольтамперная характеристика................................63
2.6. Генерация и рекомбинация носителей в обедненном слое......67
2.7. Высокий уровень инжекции .......................................................68
2.8. Учет сопротивления базы ...........................................................68
2.9. Пробой p-n–перехода...................................................................69
2.10. Поведение p-n–перехода на малом переменном сигнале.
Переходные процессы ........................................................................70

Переходные процессы в p-n–переходе..........................................74

2.11. Сравнение диодов Шоттки с p-n–переходами.........................76
2.12. Варизонный полупроводник.....................................................77

3. Гетеропереходы ...................................................................................79
3.1. Построение энергетических диаграмм. Разрывы краев
энергетических зон.............................................................................79
3.2. Односторонняя инжекция...........................................................84

4. Квантование энергии электронов. Сверхрешетки.
Квантово-размерные объекты................................................................86

4.1. Двумерная плотность электронных состояний.........................86
4.2. Потенциальная энергия электронов в инверсионном слое,
приближение треугольного потенциала ...........................................88
4.3. Модель Кронига – Пенни............................................................90
4.4. Квантово-размерные объекты.....................................................91

4.4.1. Дельта (δ)-легирование ........................................................92
4.4.2. Квантово-размерные нити и точки. Плотность
электронных состояний..................................................................94

4.5. Квантово-размерный эффект и плотность состояний
блоховских волн..................................................................................96
4.6. Сверхрешетки...............................................................................98
4.7. Оптические свойства сверхрешеток ........................................103

5. Эпитаксиальные методы выращивания наногетероструктур.......106

5.1. Технологии выращивания квантово-размерных объектов.....106
5.1.1. Послойный и нормальный рост кристалла ......................106
5.1.2. Спиральный механизм роста............................................. 112
5.1.3. Гетерогенное и гомогенное образование зародышей...... 113
5.1.4. Коалесценция и образование сплошного слоя................. 116
5.1.5. Механизмы формирования гетероэпитаксиальных
структур с квантово-размерными точками................................. 118
5.1.6. Полупроводниковые нанотрубки ......................................125

5.2. Технологии выращивания многокомпонентных 
наногетероструктур и тонких пленок .............................................127

5.2.1. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии ...........................128
5.2.2. Метод эпитаксиального выращивания гетероструктур 
из металлоорганических соединений 
(МОС-гидридный метод) .............................................................132
5.2.3. Рентгено-дифрактометрические методы исследования 
структурных свойств слоев AlInGaN ..........................................141

5.3. Электролюминесцентные свойства гетероструктур ...............143
5.4. Электронография .......................................................................144
5.5. Рентгенолитография ..................................................................147
5.6. Ионная литография ....................................................................149
5.7. Фотолитография .........................................................................150

6. Полупроводниковые приборы .........................................................155

6.1. Выпрямители  .............................................................................155
6.2. Стабилитроны ............................................................................156
6.3. Варикапы ....................................................................................157
6.4. Высокочастотные диоды ...........................................................159

6.4.1. Туннельный и обращенный диоды....................................162
6.4.2. Лавинно-пролетные диоды ................................................168

6.5. Надежность диодов ....................................................................170
6.6. Биполярные гетеротранзисторы на Si/GexSi1–x и AIIIBV ...........172

6.6.1. Основные характеристики биполярного транзистора .....172
6.6.2. Эквивалентная схема транзистора. 
Предельные частоты .....................................................................176
6.6.3. Дрейфовый планарный биполярный транзистор .............180
6.6.4. Принцип действия биполярного гетеротранзистора .......182
6.6.5. Биполярные гетеротранзисторы на основе AIIIBV ............186
6.6.6. Биполярные гетеротранзисторы на основе 
нитридов III группы ......................................................................194
6.6.7. Сравнение достигнутых результатов с теоретическими 
оценками ........................................................................................199

6.7. Современные полевые гетеротранзисторы 
на основе соединений АIIIBV ............................................................209

6.7.1. Основные представления и параметры ............................210
6.7.2. Модель полевого транзистора ...........................................210
6.7.3. Особенности переноса в субмикронных структурах ......217

6.7.4. Полевые транзисторы на основе AlxGa1–xAs/GaAs 
гетероструктур ..............................................................................221
6.7.5. Полевые гетеротранзисторы на основе 
материалов АIIIN ............................................................................238

6.8. Фотоприемники ..........................................................................274
6.9. Фотодиоды. Фотодиодный и фотогальванический режим. 
Фототранзисторы ..............................................................................277
6.10. Фотоэлементы ..........................................................................281
6.11. Фотоприемники на основе квантово-размерных структур ... 282
6.12. Солнечные элементы ...............................................................287

6.12.1. Солнечные элементы на основе кремния .......................294
6.12.2. Многопереходные кремниевые солнечные элементы ...296
6.12.3. Солнечные элементы на основе соединений AIIIBV .......296
6.12.4. Технологии изготовления солнечных элементов ...........297
6.12.5. Каскадные солнечные элементы .....................................300

6.13. Светоизлучающие диоды ........................................................305

6.13.1. Типы светоизлучающих диодов ......................................305
6.13.2. Характерные черты многокомпонентных 
наногетероструктур на основе AIIIBV ..........................................315
6.13.3. Устройства на основе многокомпонентных 
наногетероструктур AlGaInP .......................................................325
6.13.4. Светоизлучающие диоды на основе 
многокомпонентных наногетероструктур AlGaInN ..................352
6.13.5. Структура AlGaInP светоизлучающих диодов ...............368
6.13.6. Технология сборки светоизлучающих диодов ...............370
6.13.7. Влияние деградационных явлений на рабочие 
характеристики светоизлучающих диодов .................................372
6.13.8. Обзор исследований в области деградации 
светоизлучающих диодов ............................................................380

6.14. Инжекционные лазеры ............................................................389

6.14.1. Гетероструктуры AlGaN/InGaN/GaN
с квантово-размерными ямами для инжекционных лазеров ....389
6.14.2. Принцип действия полупроводникового 
инжекционного лазера ..................................................................393
6.14.3. Лазерная генерация через состояния 
самоорганизованных квантовых точек .......................................395

6.15. GaN–материал для спинтроники ............................................398

7. Краткий обзор развития транзисторов, светоизлучающих  
диодов и лазеров. Примение светоизлучающих диодов ...................409
7.1. Основные этапы развития технологии транзисторов.............409
7.2. Развитие технологии светоизлучающих диодов.....................417
7.3. Этапы развития лазерных технологий.....................................430
7.4. Основные области применения  
светоизлучающих диодов.................................................................439
Библиографический список .................................................................449

Условные обозначения и сокращения

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
БГТ – биполярный гетеротранзистор
БК – база-коллектор
ВЯ – высокояркие СИД
ВАХ – вольтамперная характеристика
ВнешКВ – внешний квантовый выход
ВнКВ – внутренний квантовый выход
ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи
ДЭГ – двумерный электронный газ
ДОБЭ – дифракция отраженных быстрых электронов
ДТЛ – дефекты темных линий
ДТТ – дефекты темных точек
ЗЦ – зарядовые центры
ИЛЛ – ионно-лучевая литография
ИЛТ– ионно-лучевое травление
КН/КП – квантово-размерная нить или проволока 
КС – квантово-размерная структура 
КТ – квантово-размерная точка
КЯ – квантово-размерная яма 
ЛВР – лазер с вертикальным резонатором
ЛПД– лавинно-пролетный диод
МДП – металл–диэлектрик–полупроводник
МДМ – метал–диэлектрик–метал
МКНГ – многокомпонентная наногетероструктура
МКЯ – множественная КЯ
МЛЭ (MBE) – метод молекулярно-лучевой эпитаксии
МОС – гидридный метод (MOCVD) – газофазная эпитаксия из металлоорганиче
ских соединений

ОПЗ – область пространственного заряда 
ОБ, ОЭ, ОК – общая база, общий эмиттер, общий коллектор
ООЗ – область обедненного заряда 
ПГС – паро-газовая смесь
ПМЛЭ – плазменная молекулярно-лучевая эпитаксия
ПС – полупроводниковая структура
ПТ (FET) – полевой транзистор
ПШКК (FWHM) – ширина на полумаксимуме кривой качания (полумаксимум 

спектра)

ПЭ – пьезоэлектрический эффект
РМЛЭ – реактивная молекулярно-лучевая эпитаксия
СБИС – сверхбольшая интегральная схема
СВЧ – сверхвысокие частоты
СИД (LED) – светоизлучающий диод
СП – спонтанная поляризация
СР – сверхрешетка

8

СТМ – сканирующая туннельная микроскопия
СЭ – солнечный элемент
ТООЗ – токи, ограниченные объемным зарядом
ТТЭ – ток термоэлектронной эмиссии
УЗ – ультразвук
УЗВ – ультразвуковое воздействие
ФИП – фокусированный ионный пучок
ФЛ – фотолюминесценция
ФП – фотопроводимость
ЦБИР – центры безызлучательной рекомбинации
ШХР – модель Шокли – Холла – Рида
ЭБ – эмиттер-база
ЭДС – электродвижущая сила
ЭЛ – электролюминесценция
ЭОС – электронная Оже-спектроскопия
ЭУФ – экстремальный ультрафиолет
ЭC – эпитаксиальная структура
COB (Chip on board) – чип на плате
0D, 1D, 2D, 3D – нульмерный, одно-, дву- и трехмерный элемент 
DMS – доменные магнитные полупроводники
ELOG (epitaxial lateral overgrowth) – технология эпитаксиального поперечного 

разрастания

LEEBI (low energy electron beam irradiation) – метод обработки слоя пучком элек
тронов низкой энергии

RIE – сухое реактивное травление
SMD (surface mounted device) – СИД в корпусе поверхностного монтажа
TMGa – триметил галлия
TMAl – триметил алюминия
TMIn – триметил индия

Предисловие

Современная наноэлектроника во многом уходит корнями в ми
кроэлектронику прошлого века. Не зря древние говорили: «Per crucem
ad lucem» («Через крест к свету»). Этот постулат верен – у опто- и наноэлектронных приборов очень сложная, но увлекательная история. 
Подобно тому как изобретение транзистора в 1947 г. привело к изобилию электронных приборов наших дней, опто- и наноэлектроника как 
научно-техническое направление, стартовав на заре прошлого века, 
развивалась столь динамично, что становится правомерным сравнение с очередной научно-технической революцией.

За последние десять лет заметен огромный рост интереса к нано
электронике. Материаловеды, а также физики, химики и инженеры с 
одинаковым интересом изучают потенциал различных наноматериалов с точки зрения их основных свойств и возможностей применения.

Нанотехнология способна изменить все аспекты человеческого суще
ствования. Возможность синтезировать наномасштабные элементы, а затем собирать такие элементы в более крупные структуры, обладающие 
уникальными квантово-размерными свойствами (КС) и функциями, приводит к революционным изменениям во многих отраслях. Полупроводниковая гетероструктурная наноэлектроника представляет собой составную 
часть нанотехнологии и охватывает разработку полупроводниковых приборов и устройств в субмикронном диапазоне размеров. Поэтому в настоящее время особенно актуальна необходимость в учебниках, в которых 
сочетаются физика и технология производства наноматериалов. Именно 
эту цель преследовали авторы, работая над данным учебником.

В учебнике рассмотрены базисные элементы физики полупрово
дников, свойства и характеристики основных, наиболее использующихся многокомпонентных наногетероструктур, типы и области 
применения трансзиторов, солнечных элементов, фотодиодов, светоизлучающих диодов и лазеров. Приведены примеры реализации транзисторов, солнечных элементов и светоизлучающих диодов на основе 
многокомпонентных наногетеросистем материалов Ge/Si и АIIIВV, размеры активных областей которых менее 100 нм. Значительная часть 
работы посвящена изучению механизмов выращивания и формирования наногетероэпитаксиальных структур с квантово-размерными 
элементами. Рассмотрены явления самоорганизации при эпитаксии и 
применение элементов самоорганизации для эпитаксиального наращивания наногетероструктурных объектов полупроводниковой электроники на основе массива квантово-размерных объектов.