Применение гетеропереходов в оптоэлектронике

Примечание	от автора: Список использованной литературы - чистейшая правда. Очень много надергано из книг
	Загрузить архив:
	Файл: 240-0004.zip (35kb [zip], Скачиваний: 48) скачать

      Нижегородский Государственный Технический Университет

Реферат по курсу

"Электронные твердотельные приборы"

тема: "Применение гетеропереходов в оптоэлектронике"

Выполнили студенты группы 94-ФОС

Куликов А.В.

Макаров Д.М.

Проверил преподаватель:

Штернов A.A.

       

1996 г.

Содержание.

Введение.....................................................

Гетеропереход. Физические основы...........

Применение гетеропереходов.

        Излучатели.

                Инжекционный лазер...................

                Светоизлучательный диод............

                Исскуственные квантовые

                                                ящики................

        Приемники.

                Фотодиод......................................

                Фототранзистор............................

Заключение.................................................

Введение.

   Оптоэлектроника - это раздел электроники, связанныйглавным образом с изучением эффектов взаимодействия между  электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества(преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы созданияоптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной  технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации.

     Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно- технологические концепции современной электроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитиетвердотельных  плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций;ориентация  на специальные сверхчистые материалы; применениеметодов  групповой обработки изделий, таких как эпитаксия,фотолитография,нанесение тонких пленок, диффузия , ионная имплантация,плазмохимияи др.

     Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют (внутри единогомонокристалла) полупроводники с различными значениями ширины запрещеной зоны.

   Гетеропереход. Физические основы.

     Если n- и p-область перехода изготовлены из различных полупроводников, то такой переход называется гетеропереходом.Отличие

от обычного перехода более тонко в том случае, когдаполупроводники взаиморастворимы, а переход плавный. Переходы последнего типа иногда называют "квазигомопереходами". Таким образом,  плавные переходы между n-ZnSe и p-ZnTe или между p-GaAs и n-GaРявляютcя квазигомопереходами.

     Одной из причин обращения к гетеропереходам является возможность получить высокоэффективную инжекцию неосновных носителей в узкозонный полупроводник, т.е. суперинжекция, заключающаяся в том,чтоконцентрация  инжектированныхвбазу носителей может на несколько порядков превыситьихравновесное значение в змиттерной области (см. рис. 1). Это означает, что стремление получить g=1 в широком интервале изменения прямого тока не накладывает каких-либо ограничений навид  иконцентрацию легирующей примеси в эмиттерной и базовой областях - у  разработчикаоптоэлектронныхприборов  появляется    лишняя    "степень свободы".

                              Рис. 1.

       Это свойство гетеропереходов легкопонять из рассмотрения рис.2.Когда  прямоесмещение выравнивает валентную зону, дырки нжектируются в n-область. Инжекции же электронов из n-области в p-область препятствует барьер DE = Еg1- Еg2   (см. рис. 2).

                        а)                                                          б)

      Рис.2.   Идеальная зонная схема для гетероперехода.

      а) - в условиях равновесия;б) - при прямом смещении V

Очевидно, что в этом случае излучательнаярекомбинациябудет происходить в узкозонной области. Так, в гетеропереходах GaAs - GaSb полоса инжекционной люминесценциинаходится  приэнергии 0,7 эВ , что равно ширине запрещенной зоны GaSb. Оптические свойства эмиттера и базыгетероструктуры различны и могут в широкихпределахизменяться  независимо друг от друга. Отсюда, в  частности,следует,что  широкозонный эмиттер представляет собой "окно" для более длинноволнового излучения, генерируемого  (илипоглощаемого) узкозоннойбазой. Кроме того, различие в значениях Еg ведет и кразличиюпоказателей преломления n, что порождает волноводный эффект, т.е.концентрацию оптической энергии в слое с большим n при распространении излучения вдоль слоя.

На практике гетеропереходам присущи недостатки, связанные с границей раздела:уровень  Фермиоказывается фиксированным на границе из-за поверхностных  состояний.Поэтому вместо ровного хода для одной из зон обычно имеет место барьер типа Шоттки, как показано на рис. 3. Поскольку барьер Шоттки обладает выпрямляющим действием, его рисутствие становится очевидным при рассмотрении n-n-гетеропереходов - т.е. переходов между двумя различнымиполупроводниками n-типа .

                                                   Рис. 3

     Особый интерес представляют гетеропереходы между CdSикаким-либо более широкозонным полупроводником p-типа. Кристаллы CdS всегда имеют n-тип проводимости, и р-n-переходы в этомматериале до сих пор не изготовлены, несмотря на болеечемдвухдесятилетние усилия многих исследовательских групп. Соединение  CdSобладает широкой прямой запрещенной зоной (Еg d 2,5 эВ) и может излучать зелено-голубой свет.

     Были предприняты попытки изготовить гетеропереходы между CdS и SiC. SiC - широкозонный полупроводник, которому, по желанию, с помощью соответствующего легирования можно придать n-или  p-тип проводимости. В зависимости от модификации ширина запрещенной зоны SiC варьируетсн от 2,7 до 3,3 эВ. Модификация  определяетхарактер периодичности в расположении атомныхсвязей.CdS  n-типа был выращен на SiC р-типа, с тем чтобы дырки при прямомсмещении могли инжектироваться в CdS и создавать видимоеизлучение.Было обнаружено, что спектр излучения сдвигается с током и цветлюминесценции плавно меняется от красного до зеленого.  Соединение Cu2S , которое имеет p-тип проводимости,также  обладает запрещенной зоной, более широкойчем  CdS.Гетеропереходы, изготовленные напылением Cu2S на CdS, имеюткрасную  инжекционную люминесценцию, интенсивность которой линейно меняласьс  током. Этот процесс, по-видимому,  связан,срекомбинацией  через глубокие центры.

Применение гетеропереходов.

Излучатели.

Инжекционный лазер.

Инжекционнныйлазер  представляетсобойполупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто как равноправный используется термин "лазерный диод"), в котором  генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителейзаряда  при протекании прямого тока через p-n-переход.

Разновидности инжекционных лазеров.Рассмотренные теоретические положения предопределяют пути  совершенствованияпростейшей структуры лазера.Обследованы иреализованы варианты расположения слоев по толщине кристалла.В гомогенном полупроводнике p-n-переходкаксредство электронного ограничения весьма несовершенен: привысокихуровнях накачкипроисходит  бесполезнаяинжекцияэлектронов  влево (из-за падения коэффициента инжекции), ограничение справадостигается лишь естественным    убыванием  концентрации   введенных    дырок  позакону

exp(-х/L).Границы,определяющие  "электронную"и "оптическую" толщины активной области W и Wопт, не определенны и меняются от режима накачки. Все эти несовершенства, проявляющиеся в конечном счете в высоком значении плотности порогового тока, предопределили бесперспективность лазеров на однородных  полупроводниках.

     Широкое промышленное распространение получили только гетеролазеры, общими особенностями которых являютсяодносторонняяинжекция, четко выраженный волноводный эффект, возможность суперинжекции.

     В односторонней гетероструктуре (ОГС) электронное  ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере на гомогенном полупроводнике (рис. 4,a); преимущество ОГСперед  другими гетероструктурами состоит в простоте технологии.

     Поистине классической стала двойная (двусторонняя)гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная  область"зажата" между двумя гетерограницами (рис. 4,б):  именноонапозволяет получать малые пороговые плотности тока изначительныевыходные мощности. Четырех и пятислойная структуры, являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют при очень тонкойобласти накачки W иметь толщину волновода Wопт, оптимальную сточки зрения модовых соотношений. В пятислойных   GaAlAs - структурахудаетсяполучать Jпор=102A/см2    и

Рвых d 0,1 Вт.Отметим,что технологическиесоображения  требуютсозданияряда  переходных слоев, поэтому реальные лазерные структурызначительно  сложнее, чем физические модели.

                           а)                                                                       б)

Рис. 4. Энергетические диаграммы активных структур инжекционных лазеров и распределения инжектированных носителей заряда (заштрихованные области): а) односторонняя гетероструктура (ОГС),

б)двойная гетероструктура (ДГС).

Особенности инжекционных лазеров. Инжекционные лазерыимеют  ряд достоинств, выделяющих их среди  излучателейипредопределяющих доминирующую роль в оптоэлектронике.

     1. Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения -к1 мкм2(объем активной области можетдостигать  10-12см3).Это возможно потому, что в полупроводниковых  лазерахиндуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, а спереходами  зона -зона,поэтому  иусилениев  нихнаибольшее (gd103... 104см-1).

      2. Высокий КПД преобразования энергии накачки  визлучение, приближающийся у лучших образцов ктеоретическомупределу.  Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери - вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов.

      3. Удобство управления: низкие напряжения итокивозбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможностьизменения мощности излучения без применения внешних модуляторов;работа как в непрерывном, так и в импульсномрежимах  собеспечением при этом очень высокой скорости переключения(впикосекундном диапазоне).

          4. Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемая выбором илисинтезомпрямозонного  полупроводникас

необходимой шириной запрещенной  зоны;возможностьодномодового режима.

     5. Использованиетвердотельной  микроэлектроннойгрупповой технологии. Отсюда высокая воспроизводимость параметров,пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность.

6. Совместимость с основнымэлементоммикроэлектроники- транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальную возможностьсозданияинтегрированных лазерных излучателей.

     Инжекционным лазерам присущи иопределенныенедостатки,  к принципиальным можно отнести следующие:

     невысокая когерентность излучения (в сравнении, например,с газовыми лазерами)-значительная  ширинаспектральнойлинии, большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм;

относительно малая генерируемая мощность(некоторыеоптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности);

         существенность таких негативных явлений, как временная  деградация(вособенности  длякоротковолновыхлазеров),  резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры и воздействии радиации.

Светодиоды

          Светодиод      представляет     собой     полупроводниковый   диод    с

p-n-переходом, протекание тока через которыйвызывает  интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиода основана наспонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителейзаряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Длясветодиодов характерныдва  механизмаизлучательнойрекомбинации:

межзонная рекомбинация свободных электронов и дырокв  прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона-зона);

рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов,связанных  спримесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных  полупроводниках.

     Как и в случае лазеров наилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды на основегетероструктур,хотя  специфика генерации некогерентного излучения позволяет широкоиспользовать и светодиоды на основе однородных полупроводников.

     Переходя к гетероструктурам, отметим, что введение в них дополнительного переходного слоя сплавно  изменяющимсязначением Еg, обусловлено технологическими задачами: благодаряпостепенному изменению состава меньше сказываются напряжения из-за несогласованности кристаллографическихпостоянных.  Укажемтакже,что p-области  представляют собой многослойные образования, причем каждый из слоев характеризуется не только своим значением запрещенной зоны, но также видом и концентрациейлегирующей примеси. Структуры рис.5 представляют собой  ОГСи ДГС.

а)                                        б)

Рис.5. Схемы расположения p- и n- слоев и изменения ширины запрещенной зоны по сечению кристалла для :   а) ОГС;    б) ДГС.

W - толщина активной области, в которой идет эффективная излучательная рекомбинация.

Если в ДГС широкозонные "обкладки" активной областисделать достаточно толстыми (или хотя бы одну из них), то подложкуможно удалить (стравить), и тогда лучи света, распространяющиесявправо, не будут поглощены, а после отражения от нижней границы кристалла вновь направятся к левойповерхности  иприпопадании  в апертурный угол выйдут наружу.  Процессотраженияот  границвглубь кристалла может повторяться многократно дотехпор,  пока световой луч не придет под нужным углом к левой поверхности.При этом нежелательного поглощения излучения в широкозонныхобластях не происходит. В таких многопроходных структурах с удаленной подложкой коэффициент вывода излучения может достигать десятков процентов.

Искусственные квантовые ящики

     Искусственные квантовые ящикии  сверхрешеткинаходятвсе большее применение при разработке излучателей. Помереуменьшения толщин активных зон лазеров и светодиодовстановятсясущественными квантовые размерные эффекты, т.е. явления, в которых малые геометрические  размерырассматриваемыхобластей  обязывают учитывать квантовую природу свободных носителей заряда.

     Еслитолщину  активнойобластидвойной    гетероструктуры уменьшить до WdlБ( длина волны де Бройля), то свободные электроны в этой  областиначнут вести себя подобно двухмерному газу. Это значит, что в любой конкретный момент времени могут бытьуказанылишь  двекоординаты электрона (y и z на рис. 6,б), тогда как по  координатеxон "размазан" по всей толщине W. Такая сверхтонкая ДГСпредставляет собой квантовую яму (или квантовый ящик),  удерживающуюдвухмерный электронный газ. Последовательное чередование большогочисла таких ям образует сверхрешетку (рис. 6,в). В общем случаеотдельные ямы в сверхрешетке не обязательно должны быть  одинаковыми по глубине и ширине, как  этопредставленона  рис.6,г.

Рис. 6. Квантовый размерный эффект в гетероструктуре:

а)представление электрона в виде волнового пакета де Бройля;

б)электрон (волня де Бройля) 1 в двумерной квантовой яме 2;

в)чередование слоев арсенид-фосвида галлия с меньшим (A) и большим (B) содержанием мышьяка в сверхрешетке.

г)   энергетическая диаграмма в сверхрешетке ( 1 - энергетические зоны, обусловленные эффектом размерного квантования).

     Квантовые ящики и сверхрешетки изготавливают путемпоследовательного эпитаксиального выращивания сверхтонких (около 10нм) слоев полупроводниковыхсоединений  разногосостава.Например, схема рис. 6,в,г реализована в одном из приборов при  молекулярно-лучевой эпитаксии чередующихся слоеварсенид-фосфидагаллия с большим и меньшим содержанием мышьяка; при этом число слоев 100...200,  ашириназапрещенной     зоны   скачкообразно   изменяетсяот

Еg1= 1,4 до Еg2= 1,9 эВ и обратно.

     Размерное квантование порождает два основных физических  эффекта:

     изменение зонной диаграммы, проявляющееся в появлении новых разрешенных энергетических состоянийдля  электронов(1на рис. 6,г); тем самымпринципиально  можетбытьсформирована зонная структуралюбого  вида;

     изменение кинетики электронов, проявляющеесявих  пробеге между гетерограницами без соударений (ибез  потерьэнергии)с примесными атомами, - таково свойство волны деБройля,распространяющейся в среде с периодически изменяющимся потенциалом; подвижность электронов оказывается такой же, как в чистомполупроводнике.

     Технологическая особенность сверхрешеток состоит втом, что вследствие малости толщин соседних  слоевстановитсясущественным выравнивающее действие механических напряжений:практически сверхрешетка, несмотря на различие состава слоев, имеет одно общее усредненноезначениекристаллографическойпостоянной. Можно предположить, что для излучателей этообстоятельствоокажется более важным, чем физические факторы.

     Из физических итехнологическихособенностей  сверхрешеток вытекает ряд важных для  создания излучателей следствий,  часть которых уже получила экспериментальное подтверждение: этополучение более высоких, чем ранее, коэффициентовусиленияволны  в активной среде и, как следствие, уменьшение длины резонаторалазера или снижение порогового тока; достижение высокойподвижности в сильно легированном материале инаэтой  основеповышение быстродействия как самих излучателей, такисхем  электронного обрамления; возможность "перевода"непрямозонных  полупроводников в прямозонные, получение прямозонных структур слюбой  шириной запрещенной зоны, а также лазеров (исветодиодов)  сперестраиваемой длиной волны, продвижение в сине-зеленую иУФ-область спектра; совмещение материалов с сильным структурнымрассогласованием; неизбежность открытияновых полезных явлений при дальнейшем исследовании сверхрешеток.

     Таким образом, развитие физики и становление техникиприборов с искусственными квантовыми ямами и сверхрешетками приведет к качественному скачку в области излучателей и в оптоэлектронике  в целом.

Приемники

Фотодиод

     Фотодиод - это фотоприемник, представляющийсобойполупроводниковый диод, сконструированный иоптимизированныйтак,  что его активная структура оказывается способной эффективно воспринимать оптичское излучение. Практически для этого корпусфотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла.Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих  элементов (непрозрачных металлических  электродов),сводятсядо  минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия и т.п.

Рис. 7. Фотодиод с гетероструктурой (1- широкозонное окно; 2- активная область; 3- подложка с переходным слоем).

           Гетерофотодиоды (рис. 7) представляют собой одну из наиболее бурно развивающихся разновидностей оптоэлектронных фотоприемников. В конструкции любого гетерофотодиода выделяются прежде всего две области: "широкозонное окно" и активный фоточувствительный слой. Широкозонное окно без потерь пропускает излучение к активной области и в то же время является контактным слоем с малым последовательным сопротивлением. Процессы в активной области - поглощение излучения, накопление (собирание) генерируемых носителей заряда - в значительной степени протекают так же, как и в кремниевой p-i-n-структуре. Важное отличие заключается в том, что выбором подходящего полупроводникового соединения фоточувствительного слоя удается обеспечить полное поглощение излучения (в том числе и в ИК-области) при толщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что для Si-p-i-n-структур в длинноволновой области принципиально недостижимо: для полного поглощения излучения с l~1,06 мкм толщина i-области должна составлять около 3ОО мкм, а рабочее напряжение - сотни вольт. Таким образом, гетерофотодиоды в некотором роде эквивалент кремниевых р-i-n-диодов в длинноволновой области, хотя их значимость этим не исчерпывается.

Свобода выбора материала обусловливает и возможность достижения повышенных значений фото-ЭДС (например, Uxx=0,8... 1,1 В

у GaAlAs-структур), высокого значения КПД  преобразования(до 100%), меньших, чем у кремния, темновых токов и  шумов,расширения температурного диапазона, повышенияустойчивостик  воздействию проникающей радиации.

Важнейшим достоинством гетерофотодиодов является их физическая и технологическая совместимость с устройствамиинтегральной оптики. Несомненно полезным может оказаться  то,чтоони  могут быть изготовлены на одном кристалле с излучателем имикросхемой, т. е. открывается возможность созданияуниверсальныхмонолитных оптоэлектронных элементов дуплексной связи. Гетерофотодиоды  значительно сложнее в изготовлении, чем кремниевые, однакоимеющиеся технологические трудности постепенно преодолеваются.Основные материалы гетерофотодиодов - GaAlAsдля l~0,85мкм  иInGaAsP, InGaAs для l=1,3... 1,55 мкм. Гетерофотодиоды работают и в режиме лавинного умножения, причем благодаря малойтолщинеактивной области рабочее напряжение может составлять десяткивольт.Препятствием на пути их развитияявляется  тообстоятельство,что практически для всехсоединений  А3В5  коэффициентыразмножения

электронов и дырок приблизительно одинаковы (a-da+) этоведет к повышенному уровню шумов. ИсключениесоставляетGaSb,  однако этот материал пока все еще характеризуетсяочень  низкимкачеством. Поэтому широкое развитие лавинных гетерофотодиодов  маловероятно, их альтернативой являются  интегрированныеструктуры,в которых на одном кристалле полупроводника A3B5объединены гетерофотодиод и МДП - транзистор.Быстродействие   таких   структур   можетбыть  менее

0,1 нс при внутреннем усилении около 102.

Создание гетеро-ЛФД представляется возможным благодаря  развитию техники сверхрешеток. Анализ показывает, что всверхрешетке можно доводить отношение a+/a--до 20 и более.

Фототранзисторы

     Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизмов встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего - управляющего - электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их примернения в основном устройствами автоматики  и управлениясиловымицепями.  Ониизготавливаются   практически только на кремнии.

Рис. 8. Гетерофототранзистор

1-- n+-InP-эмиттер с кольцевым электродом;

2-- p-InGaAsP-база;

3-- n+-n-InP-коллектор (подложка).

Гетерофототранзисторы (рис. 8)  основанынапринципе  действия обычного биполярного фототранзистора, но в нихиспользуются и все достоинства гетероструктур:широкозонныеэмиттерное  и коллекторное окна (что позволяет создавать конструкции с прямой и обратной - через толстый коллекторный слой -  засветкой);тонкая фотоактивная базовая область, полностью поглощающая  воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующихпросачиванию основных носителей базы в коллектор и накоплению их внем. Все это ведет к тому, что гетерофототранзисторы  могутиметьне только высокую чувствительность в любом заданном участке спектра, но и очень высокое быстродействие(в  нано-исубнаносекундном диапазоне). Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (так как вывод от узкой базовойобласти сделать затруднительно),чтолишает  ихсхемотехнической гибкости, присущей транзисторам.Помере  усовершенствованияи промышленного развития эти приборы станут "соперниками" ЛФД,выгодно отличаясь от них низким питающимнапряжением,  отсутствием жестких требований к стабилизации режима работыи  другимидостоинствами, присущими транзисторам.

Заключение

Итак, как вы уже успели убедиться, применение гетеропереходов в оптоэлектронике помогает разрешить многие проблемы.Так, в частности, найдено решение задачи создания приборов с прямозонной энергетической диаграммой, что не удавалось реализовать на гомогенных структурах. Прозрачность широкозонного эмиттера для рекомбинационного излучения базы гетерогенной структуры существенно облегчает задачу констуирования излучательных приборов. Также гетероструктуры способствуют всё большей интеграции оптоэлектронных устройств. Реализация сверхрешеток позволит создавать элементную базу с произвольными зонными диаграммами, т.е. гетероструктуры являются перспективным направлением исследования.Технологические трудности изготовления гетеропереходов, как нам кажется,  явление временное и в недалеком будущем преодолимое.Применительно к нашей специальности (физика и техника оптической связи) гетероструктуры являются хорошим подспорьем в конструировании систем волоконно-оптической связи. Инжекционные лазеры, например, с их способностью генерировать пучок света, (являющийся переносчиком информации в волоконно-оптических линиях связи) с наперед заданным направлением распространения - решение проблемы миниатюризации основных элементов систем волоконно-оптической связи.

Конечно, существуют еще много неразрешенных проблем, но, как нам кажется, будущее оптоэлектроники неразрывно связано с гетероструктурами.

Литература:

Панков Ж."Оптические процессы в                                                           полупроводниках"

Носов Ю.Р.           "Оптоэлектроника"