Heteroestructura es un término en la física de semiconductores , que denota una estructura en capas que crece sobre un sustrato de varios semiconductores, que generalmente difieren en la banda prohibida . La llamada heterounión se forma entre dos materiales diferentes , en la que es posible una mayor concentración de portadores y, por lo tanto, la formación de un gas de electrones bidimensional degenerado . A diferencia de las homoestructuras, tiene mayor libertad de elección para construir el perfil de potencial deseado de las bandas de conducción y valencia . Las heteroestructuras permiten controlar parámetros fundamentales en cristales y dispositivos semiconductores: banda prohibida, masas efectivas de los portadores y sus movilidades, índice de refracción, espectro de energía electrónica, etc.
Para hacer crecer heteroestructuras, se utilizan muchos métodos diferentes, entre los cuales se pueden distinguir dos principales:
El primer método hace posible el crecimiento de heteroestructuras con alta precisión (hasta una monocapa atómica [1] ). El segundo método no tiene una alta precisión, pero en comparación con el primer método, tiene un mayor rendimiento.
Zhores Alferov ( Rusia ) y Herbert Kroemer ( EE . UU .) recibieron el Premio Nobel en 2000 por el desarrollo de heteroestructuras de semiconductores para optoelectrónica de alta velocidad .
Como parte del programa de desarrollo de nanotecnología en Rusia, hay un desarrollo activo de industrias relacionadas con las heteroestructuras, a saber, la producción de células solares y LED .
Por primera vez, Shockley señaló la posibilidad de utilizar las propiedades del contacto de dos semiconductores diferentes para aumentar la eficiencia de inyección en transistores bipolares en 1948. [2]
En 1957, Herbert Kremer sugirió en su trabajo [3] que las heterouniones podrían tener una mayor eficiencia de inyección en comparación con las homouniones.
Un modelo cualitativo para la formación del diagrama de energía de una heterounión fue desarrollado por R. L. Anderson en 1960; también estudió la primera heterounión monocristalina epitaxial Ge - GaAs con constantes de red coincidentes [4] .
Unos años más tarde, Zh. I. Alferov [5] y G. Kremer [6] formularon de forma independiente el concepto de láser basado en heteroestructuras dobles (DHS).
Alferov señaló la posibilidad de lograr una alta densidad de portadores inyectados e inversión de población para obtener emisión estimulada en estas estructuras. Demostró que la densidad de los portadores inyectados puede ser varios órdenes de magnitud mayor que la densidad de los portadores en un emisor de espacio amplio (el efecto de " superinyección ") y, debido a las posibles barreras en la interfaz del semiconductor, la recombinación en el emisor es cero . .
El sistema más prometedor para la obtención de heteroestructuras fue el sistema AlAs - GaAs, ya que los compuestos AlAs y GaAs tienen constantes de red similares, y GaAs, a su vez, tiene muchas propiedades necesarias, como masas efectivas bajas de portadores, alta movilidad de electrones, banda ancha. brecha, recombinación radiativa efectiva y un borde de absorción óptica nítido debido a la estructura de banda directa.
El desarrollo de una modificación del método de epitaxia en fase líquida (LPE) adecuada para el crecimiento de heteroestructuras condujo a la creación de la primera heteroestructura de AlGaAs emparejada en red. Se han creado la mayoría de los dispositivos más importantes, que aprovechan las principales ventajas de las heteroestructuras:
El trabajo de Zh. I. Alferov y G. Kremer en el campo de la investigación de la heterounión fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2000.
Actualmente, las heterouniones se utilizan ampliamente en la creación de transistores de alta frecuencia y dispositivos optoelectrónicos . Sobre la base de heteroestructuras, se crean dispositivos optoelectrónicos y microelectrónicos de alta velocidad : diodos láser para sistemas de transmisión de información en redes de fibra óptica; LED heteroestructurales y transistores bipolares; transistores de alta movilidad de electrones de bajo ruido (HPET) utilizados en dispositivos de alta frecuencia, incluidos los sistemas de televisión por satélite ; Celdas solares con heteroestructuras, ampliamente utilizadas para programas espaciales y terrestres.