2. Элементы оптоэлектроники. Гетеропереходы. Сверхрешётки.

Оптоэлектроника — научно-техническое направление, в котором исследуются и используются эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в веществе и на этой основе создаются устройства для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. К основным элементам оптоэлектроники относятся полупроводниковые источники некогерентного (светодиоды) и когерентного (лазеры) излучения, а также полупроводниковые фотоприемники. В основе действия многих вариантов перечисленных приборов лежат p–n переходы. При прямом включении в p–n переходе происходит инжекция носителей тока, например электронов.

Инжектированные электроны являются неравновесными; в слое толщиной L_n они рекомбинируют с дырками, которых в р области достаточно много. Каждый акт рекомбинации связан с уменьшением энергии электрона на величину Eg. Эта энергия может преобразоваться в энергию кванта электромагнитного излучения hν = Eq. Следовательно, прямо включенный p–n переход способен испускать электромагнитную волну. . Описанный эффект лежит в основе действия светодиодов.

Светодиод испускает некогерентное излучение. Однако существует режим, в котором p–n переход испускает когерентное, лазерное излучение. Соответствующие лазеры называются инжекционными полупроводниковыми лазерами.

Лазерное излучение может возникать в среде с так называемой «инверсной населенностью» энергетических уровней.

В полупроводниковом квантовом генераторе инверсная населенность создается инжекцией носителей заряда в область, где они являются неравновесными. Их индуцированный переход в равновесное состояние (рекомбинация) и создает лазерное излучение. Лазерное излучение в полупроводниковом квантовом генераторе наступает лишь при определенной величине прямого тока. Этот ток называется пороговым i_пор P–n переход способен преобразовывать не только

электрическую энергию в световую (светодиод), но и световую в электрическую. Этот эффект лежит в основе действия фотодиодов и различных фотопреобразователей, например элементов полупроводниковых солнечных батарей.

. Более эффективными для оптоэлектроники являются гетеропереходы.

Гетеропереходы образуются на границах раздела полупроводников с различной шириной запрещенных зон. Особенно широко используются в оптоэлектронике гетеропереходы на основе соединений элементов III и V групп таблицы Менделеева.

В гетеропереходе претерпевают скачки многие параметры полупроводников: ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда, их эффективные массы и т. д. Скачкообразное изменение свойств полупроводника на гетеропереходе дает возможность целенаправленно управлять этими свойствами путем подбора сопрягаемых полупроводниковых материалов. Поэтому гетеропереходы используются для совершенствования существующих полупроводниковых приборов и создания принципиально новых приборов различного электронного и оптоэлектронного назначения. Гетероструктуры находят широкое применение и в наноэлектронике

Сверхрешетка — это кристаллическая структура, обладающая помимо периодического потенциала, свойственного кристаллической решетке, дополнительным потенциалом, период которого существенно превышает атомарные размеры, но соответствует наномасштабам. Сверхрешетки могут создаваться в проводниковых, магнитных и полупроводниковых материалах. Наиболее полно исследованы полупроводниковые сверхрешетки, состоящие из чередующихся нанослоев вещества, различающихся по составу. В этом случае сверхрешетки могут рассматриваться как одномерные системы потенциальных ям, разделенных сравнительно узкими потенциальными барьерами с заметной туннельной прозрачностью. На основе сверхрешеток созданы приборы с отрицательной (N_образной) вольт-_амперной характеристикой способные усиливать и генерировать электромагнитные колебания, а также эффективные светоизлучающие приборы и приборы другого назначения (см. гл. 7).

В сверхрешетках может проявляться так называемый резонансный туннельный эффект. Этот эффект состоит в резком увеличении вероятности прохождения микрочастиц, например электронов, сквозь двух или многобарьерную структуру, когда исходная энергия частицы совпадает с энергетическим уровнем в смежной потенциальной яме (резонансный уровень). Этот эффект широко используется в наноэлектронике при разработке сверхбыстродействующих приборов.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕРХРЕШЕТКИ

Получают сверхрешетки, например, с помощью технологии МЛЭ, позволяющей наращивать чередующиеся слои любого состава и толщины. Период повторения слоев составляет от нескольких нанометров до десятков нанометров (для сравнения — постоянные решетки кристаллов Si и GaAs равны примерно 0,5 нм).

Широко используют два типа полупроводниковых сверхрешеток: композиционные и легированные. Композиционные сверхрешетки — это гетероструктуры изчередующихся слоев различного состава и ширины запрещенной зоны, но с близкими значениями постоянной решетки. Например, AlxGa1–xAs–GaAs; InxGa1–xAs–GaAs;InxGa1–xAs–InP; ZnS–ZnSe и др. Здесь дополнительный периодический потенциал создается за счет периодического изменения ширины запрещенной зоны.

Легированные сверхрешетки — это периодическая последовательность слоев n, и р,типа одного и того же полупроводника. Донорные атомы в n,слоях отдают электроны, которые связываются акцепторными атомами в р,слоях. Дополнительный периодический потенциал создают чередующиеся заряды ионизированных акцепторов и доноров. Существуют также сверхрешетки из металлов, сверхпроводников и диэлектриков.Дополнительный периодический потенциал сверхрешетки изменяет зонную структуру исходных полупроводников. Поэтому сверхрешетку можно рассматривать как новый, синтезированный полупроводник, не существующий в природе и обладающий необычными свойствами.Подбором материала и состава чередующихся слоев можно в широких пределах варьировать зонную структуру сверхрешетки. Совокупность методов получения материа,лов с модифицированной зонной структурой лежит в основе так называемой «зонной инженерии».

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ СВЕРХРЕШЕТОК

На рис. показан потенциальный профиль легированной сверхрешетки. Чередующиеся заряды ионизированных доноров и акцепторов создают последовательность потенциальных ям для

э лектронов и дырок. Электроны и дырки оказываются пространственно разделенными: дырки находятся в потенциальных ямах валентной зоны р"слоя, электроны — в потенциальных ямах зоны проводимости n"слоя. Штриховкой показаны мини"зоны; _Еg—ширина запрещенной зоны исходного полупроводника_Egэф —эффективная ширина запрещенной зоны сверхрешетки. Для получения легированных сверхрешеток часто используют GaAs.

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА В СВЕРХРЕШЕТКАХ

В легированных сверхрешетках электроны и дырки пространственно разделены (см. рис. 2.2). Генерируемые светом пары электрон–дырка (неравновесные носители) также пространственно разделяются, что подавляет рекомбинацию и увеличивает их время жизни до 10³ с.

Электронный газ в сверхрешеткахобладает высокой плотностью и подвижностью электронов. Эффект увеличения подвижности особенно значителен при низких температурах, когда главный вклад в рассеяние движущихся электронов вносит их рассеяние на примесях. Высокая подвижность электронов позволяет создавать на сверхрешетках быстродействующие приборы, например транзисторы с проводящими каналами, параллельными слоям. Время переключения

таких транзисторов может составлять пикосекунды.

, Инфракрасные фотоприемники. Фотоприемники предназначены для регистрации и измерения оптических сигналов и для получения изображений во всех областях спектра, в том числе ИК" и УФ"диапазонах. Некоторые типы фотоприемников были созданы еще в начале XX в., но наиболее быстрыми темпами развиваются разработка и выпуск фотоприемников в последние десятилетия.

Для тепловизионных систем, работающих в диапазоне 8–20 мкм, в настоящее время наряду с фотоприемниками на основе CdHgTe и других материалов используются также детекторы ИК излучения на основе многослойных гетероструктур GаAs–AlGaAs с квантовыми ямами.

Тепловидение — это визуализация слабонагретых объектов по их собственному ИК излучению. Для тел с температурой, близкой к комнатной, максимум интенсивности излучения приходится на _ = 10 мкм. Например, человека в полной темноте можно увидеть на расстоянии _30 м в ручной тепловизор. Объекты военной техники просматриваются на расстоянии 2–3 км. Тепловидение может быть широко использовано в авиации, машиностроении, строительстве, микроэлектронике, медицине, геологии.

Сверхрешетки в лазерных структурах. Кроме ИК фотоприемников, сверхрешетки используются в лазерных структурах — в качестве активных областей и пассивных элементов (волноводы). Принцип работы инжекционных лазеров на сверхрешетках такой же, как для ДГС#лазеров на квантовых ямах. Ступенчатый вид графика плотности состояний (см. рис. 7.6б) и узкие области локализации носителей, участвующих в генерации, обеспечивают низкий пороговый ток и высокий КПД лазеров на сверхрешетках и на квантовых ямах. Если в гетеролазерах на сверхрешет ках наращивать слои с различной концентрацией компонентов, можно получить генерацию излучения одновременно на нескольких длинах волн. Особый интерес представляют лазеры на сверхрешетках и на системах квантовых ям, излучающие в среднем ИК диапазоне (_ = 2–12 мкм). В диапазоне 2–5 мкм лежат полосы поглощения многих вредных промышленных газов, и с помощью ИК лазеров этого диапазона можно осуществлять контроль выбросов в атмосферу. В спектре поглощения самой атмосферы имеются «окна прозрачности». Для тепловидения наиболее важны окна 3–5 мкм и

8–12 мкм. Излучение тел с температурой 300 К лежит в диапазоне 8–12 мкм. Длины волн излучения современных ИК лазеров попадают в окна прозрачности