Heterostructura este un termen din fizica semiconductoarelor , care desemnează o structură stratificată crescută pe un substrat din diferiți semiconductori, care diferă în general prin banda interzisă . Între două materiale diferite se formează o așa-numită heterojuncție , în care este posibilă o concentrație crescută de purtători și, prin urmare, formarea unui gaz electronic bidimensional degenerat . Spre deosebire de homostructuri, are o mai mare libertate de alegere în construirea profilului potențial dorit al benzilor de conducție și valență . Heterostructurile fac posibilă controlul parametrilor fundamentali în cristalele și dispozitivele semiconductoare: band gap, masele efective ale purtătorilor și mobilitățile acestora, indicele de refracție, spectrul energiei electronice etc.
Pentru a crește heterostructurile, sunt utilizate multe metode diferite, dintre care se pot distinge două principale:
Prima metodă face posibilă creșterea heterostructurilor cu mare precizie (până la un monostrat atomic [1] ). Cea de-a doua metodă nu are o precizie ridicată, dar, comparativ cu prima metodă, are o performanță mai mare.
Zhores Alferov ( Rusia ) și Herbert Kroemer ( SUA ) au primit Premiul Nobel în 2000 pentru dezvoltarea heterostructurilor semiconductoare pentru optoelectronica de mare viteză .
Ca parte a programului de dezvoltare a nanotehnologiei în Rusia, există o dezvoltare activă a industriilor legate de heterostructuri, și anume producția de celule solare și LED-uri .
Pentru prima dată, Shockley a subliniat posibilitatea de a folosi proprietățile contactului a doi semiconductori diferiți pentru a crește eficiența injecției în tranzistoarele bipolare în 1948. [2]
În 1957, Herbert Kremer a sugerat în lucrarea sa [3] că heterojoncțiile ar putea avea o eficiență mai mare a injectării în comparație cu homouncțiile.
Un model calitativ pentru formarea diagramei energetice a unei heterojoncții a fost dezvoltat de R. L. Anderson în 1960; el a studiat, de asemenea, prima heterojuncție Ge - GaAs monocristalală epitaxială cu constante de rețea coincidente [4] .
Câțiva ani mai târziu, Zh. I. Alferov [5] și G. Kremer [6] au formulat independent conceptul de lasere bazate pe heterostructuri duble (DHS).
Alferov a remarcat posibilitatea de a realiza o densitate mare de purtători injectați și inversarea populației pentru a obține emisii stimulate în aceste structuri. El a arătat că densitatea purtătorilor injectați poate fi cu câteva ordine de mărime mai mare decât densitatea purtătorilor într-un emițător cu spațiu larg (efectul „ superinjecție ”) și, datorită barierelor potențiale la interfața semiconductoare, recombinarea în emițător este zero. .
Cel mai promițător sistem pentru obținerea heterostructurilor a fost sistemul AlAs - GaAs, deoarece compușii AlAs și GaAs au constante de rețea similare, iar GaAs, la rândul său, are multe proprietăți necesare, cum ar fi mase efective scăzute de purtători, mobilitate mare a electronilor, bandă mare. decalaj, recombinare radiativă eficientă și o margine ascuțită de absorbție optică datorită structurii benzii directe.
Dezvoltarea unei modificări a metodei epitaxiei în fază lichidă (LPE) adecvată pentru creșterea heterostructurilor a condus la crearea primei heterostructuri AlGaAs potrivite cu rețea. Au fost create cele mai importante dispozitive, care folosesc principalele avantaje ale heterostructurilor:
Lucrările lui Zh. I. Alferov și G. Kremer în domeniul cercetării heterojoncțiilor au fost distinse cu Premiul Nobel pentru fizică în 2000.
În prezent, heterojoncțiile sunt utilizate pe scară largă în crearea tranzistoarelor de înaltă frecvență și a dispozitivelor optoelectronice . Pe baza heterostructurilor se realizează dispozitive opto- și microelectronice de mare viteză : diode laser pentru sistemele de transmisie a informațiilor în rețele de fibră optică; LED-uri heterostructurale și tranzistoare bipolare; tranzistori cu mobilitate ridicată a electronilor (HPET) cu zgomot redus, utilizați în dispozitive de înaltă frecvență, inclusiv sisteme de televiziune prin satelit ; celule solare cu heterostructuri, utilizate pe scară largă pentru programe spațiale și terestre.