2.13. Гетероструктуралар негізіндегі сәуле шығаршыштар
Әлдеқайда жақсы параметрлерге гетероструктуралар немесе гетероауысулар негізінде жасалынған диодтар ие. 2.18-суретте тепе-теңдік жағдайындағы GaAlAs–GaAs сәулеленетін гетероструктуралардың энергетикалық диаграммалары көрсетілген. Ауысудың металлургиялық шекарасында ∆Е = ЕG1 – ЕG2 энергиясының бөлінуі пайда болады. Осылайша, гетероструктура инжекцияланатын кемтіктер мен электрондар үшін әртүрлі потенциалдық кедергілерге (барьер) ие.
Гетероструктураның тең салмақты жағдайындағы тасымалдағыштардың қозғалысы тек бір типтегі заряд тасымалдаушылармен анықталады (2.18-суреттегі гетероструктуралар үшін электрондармен анықталады). Сондықтан да тура кернеу кезінде орынға біржақты инжекция ие болады – яғни электрондар кең қабаттан(эмиттер) тар қабатқа(база). Мұндай структура біртекті (одинарная) структура деп аталады.
Сәулеленетін диодтарда біртектімен қатар екіеселік гетероструктуралар қолданылады, онда қосымша бекітілген кең зоналы р3 –қабат қолданылады. Оның өткізгіштік типі 2.19-суретте көрсетілгендей болады. Екі еселік гетероструктурада екінші потенциалдық барьер электрондардың базалық аймақтан шығуына кедергі жасайды.
2.18-сурет. Біртекті сәулеленетін структураның энергетикалық диаграммасы.
2.19-сурет. Екі еселік гетероструктураның энергетикалық диаграммасы.
Активті аймақтағы тасымалдағыштардың артық концентрациясы және біржақты инжекциясы гетероструктураның ішкі кванттық шығысын,жылдамдығын өте жылдам көтеріп жібереді.
Шындығына келгенде, екі еселік гетероструктураны қолдану оның кеңдігін бірнеше микрометрге шейін азайту кезінде базадағы инжекцияланған заряд тасымалдаушылардың локализациясын қамтамасыз етеді. Бұл ішкі кванттық шығысты сақтау кезінде екі еселік гетероструктураның жылдамдығын жоғарылатуға рұқсат береді. Біртекті гетероструктураларда база енін азайту кезінде сәулелену қуаты төмендейді, ал жылдамдығы өседі.
Біртекті гетероструктурадағы жақсы үлгілер үшін сыртқы кванттық шығыс 3...4% -ті құрайды, ауыстырып-қосу уақыты - 40...80 нс; екі еселік гетероструктураларда шамамен осындай сыртқы кванттық шығыс, ал ауыстырып-қосу уақыты - 20...30 нс.
Біржақты инжекция эмиттерлік және базалық аймақтардың легрлеу дәрежелерімен байланысты емес екендігін айтып өту керек. Нәтижесінде, ол токтың белгілі тығыздығына шейін сақталады және p–n – ауысуындағы инжекцияның төмендеуінсіз гетероструктуралардың аймақтарындағы легрлеу дәрежелерін өзгертуге мүмкіндік болады.
Гетероструктуралардың басқа ерекшеліктері база мен эмиттердің оптикалық қасиетттерінің айырмашылықтары болып табылады. Осы себептен тар зоналы базаның сәулеленуінің спектралды сипаттамасы 2.20-суретте көрсетілгендей кеңзоналы эмиттердің жұтылуының спектралды сипаттамасына қатысты ұзын толқындардың аймағына жылжытылған болады. Сондықтан да сәулелену СИД-тен ешқандай жұтылусыз эмиттер арқылы шығарылады.
Екі еселік гетероструктуралық сәулелендіргіштерде үлкен шағылысулар құбылысы болады.
2.20-сурет. Гетероструктураның база және эмиттерінің спектралды сипаттамасы
Гетероструктураның ішкі шекарасында толық ішкі шағылысуға төзген сәулелену ақыры соңында оған сыртқа шығуға мүмкіндік беретін беретін бұрыш арқылы сыртқы шекараға түседі. Көрініп тұрғандай, көп өтпелі эффект шалаөткізгіште аз болса пайдалы болып табылады. Тарзоналы базадағы жұтылуды фотолюминесценцияның көмегімен компенсирлеуге болады: сәулелену квантының жұтылуы сәулеленудің жаңа актісіне апарады.
Гетероструктуралардың барлық артықшылықтары жоғары гетероауысу кезінде ғана қолжетімді болады. Сапалы гетероауысуды алу үшін структура параметрлерінің екі жағынан да металлургиялық шекарадан сәкестігі келу керек: тұрақты кристалдық торлардың айырмашылықтары 0,01 пайыздан аспау керек, кеңейтілудің температуралық коэффициенттері де жақын болу керек. Бұл талаптар орындалмаған жағдайда дефекттердің жоғары концентрациясы гетероауысу аймағында оның барлық артықшылықтарын нөлге апарады.