5. Электрические свойства гетеропереходов

Рассмотрим сперва результаты исследования гетеропереходов, полученных методом вакуумного напыления тонкого слоя одного из соединений А^IIВ^VIна кристалл - подложку другого соединения из этой же группы полупроводниковых веществ. В случае большого несоответствия решеток этим методом обычно получаются поликристаллические слои. К таким гетеропереходам относятся, например,CdTe-ZnSe.

Оказалось, что ВАХ зависит от толщины напыленного слоя ZnSe. С ростом толщины слояZnSeпрямые ветви ВАХ смещаются в сторону оси абсцисс. Зависимость показывает, что, начиная с толщины слоя порядка 1мкм, напряжение остается постоянным. Этот факт указывает на то, что с этой толщины весь объемный заряд, обусловленный контактной разностью потенциалов, укладывается в толщине слоя. Коэффициент выпрямления также зависит от толщины слояZnSe. Эта зависимость является кривой с максимумом при толщине слоя порядка 1мкм, что соответствует глубине проникновения контактного поля вZnSe. С дальнейшим ростом толщины слоя увеличивается последовательное сопротивления перехода, которое ограничивает прямой ток, что приводит к уменьшению коэффициента выпрямления.

Рассмотрим гетеропереходы, образованные соединениями A^IIB^VI, несоответствие решеток между которыми больше 7% (это гетеропереходы с большим несоответствием решеток). К таким гетеропереходам относятсяZnSe-ZnTeиZnSe-CdTe. Каждый из этих гетеропереходов изготавливался различными методами, однако их ВАХ имели много общего. При получении гетеропереходовZnSe-ZnTeвакуумной эпитаксией наиболее подробное изучение электрических свойств проводилось на гетеропереходах, полученных при сравнительно высоких температурах подложки, при которых образуются совершенные по структуре слои. На полученных ВАХ в пределах пяти порядков изменения тока наблюдается экспоненциальная зависимость тока от напряжения. При небольших положительных смещениях логарифм тока пропорционален температуре образца.

Гетеропереход ZnSe-CdTeполучется двух видов в зависимости от того, какой из материалов являлся подложкой. При выращивании теллурида кадмия на подложке из селенида цинка структура эпитаксиальных слоев оказывается более совершенной и вследствие этого изменяется и механизм токопрохождения. ВАХ таких образцов резко несимметричны, коэффициент выпрямления при 300К иUпр = 2Bдостигает значений 10¹⁶.

6. Применение в оптоэлектронике

Кроме свойств выпрямления гетеропереходов для полупроводниковых приборов интересными и полезными оказываются различия спектров поглощения и показателей преломления образующих гетеропереход полупроводников.

В полупроводниковом инжекционном лазере с гетеропереходами просто создать инверсную населенность (рис. 4). Базовую область такой структуры делают из полупроводника меньшей ширины запрещенной зоны и большей диэлектрической проницаемостью, чем у эмиттерных областей. Инжектированные в базу носители заряда оказываются в потенциальных ямах. Различие показателей преломления (диэлектрических проницаемостей) базовой и эмиттерной областей приводит к полному внутреннему отражению квантов света на гетеропереходах, т.е. область базы является, по существу, световодом. Все это обеспечивает значительно меньшие пороговые плотности токов и большие эффективность или КПД инжекционных лазеров с гетеропереходами.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма полупроводникового инжекционного лазера с гетеропереходами без проложенного напряжения (а) и при прямом напряжении (б)

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-nпереходом (поэтому часто как равноправный используется термин "лазерный диод"), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через р-nпереход.

Рассмотренные теоретические положения предопределяют пути совершенствования простейшей структуры лазера. Исследованы и реализованы варианты расположения слоев по толщине кристалла. В гомогенном полупроводнике p-nпереход как средство электронного ограничения весьма несовершенен: при высоких уровнях накачки происходит бесполезная инжекция электронов влево (из-за падения коэффициента инжекции), ограничение справа достигается лишь естественным убыванием концентрации введенных дырок по экспоненциальному закону. Границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области, не постоянны. 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 являются односторонняя инжекция, 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; преимущество ОГС перед другими гетероструктурами состоит в простоте технологии.

Существует еще двойная (двусторонняя) гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная область "зажата" между двумя гетерограницами: именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. Четырех и пятислойная структуры, являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют иметь оптимальную толщину. Отметим, что технологические соображения требуют создания ряда переходных слоев, поэтому реальные лазерные структуры значительно сложнее, чем физические модели.

Инжекционные лазеры имеют ряд достоинств, выделяющих их среди излучателей и предопределяющих доминирующую роль в оптоэлектронике:

1. Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения 1…2 мкм (объем активной области может достигать (10…12)см³).Это возможно потому, что в полупроводниковых лазерах индуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона - зона, поэтому и усиление в них наибольшее.

2. Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу. 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 и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

4. Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемая выбором или синтезом полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны.

5. Пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность.

6. Совместимость с основным элементом микроэлектроники – транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей.

Инжекционным лазерам присущи и определенные недостатки, к принципиальным можно отнести следующие:

1. Невысокая когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) – значительная ширина спектральной линии, большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм;

2. Относительно малая генерируемая мощность (некоторые оптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности);

3. Существенность таких негативных явлений, как временная деградация (в особенности для коротковолновых лазеров), резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры и воздействии радиации.