1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1.1. Общие сведения
Идея создания твердотельного полупроводникового прибора для преобразования длины волны излучения и (или) усиления оптической мощности возникла в 1960-х годах. Все дальнейшие попытки реализовать подобный прибор на практике сводились к поиску оптимальных полупроводниковых материалов и методов их получения.
Были опробованы методы диффузионного легирования, жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и испытаны такие полупроводниковые материалы и системы твердых растворов как Ge, InP, GaAs, InGaAsP и AlGaAs. В итоге все исследователи единодушно остановились на приборах, основой которых являются гетероструктуры (ГС) AlGaAs, полученные методом ЖФЭ. Далее рассматриваются и анализируются основные типы оптоэлектронных преобразователей.
1.2. Приборы на основе
элементарных полупроводников и соединений AIIIBV
Первые попытки реализации оптоэлектронных преобразователей описываются в работах [1 – 3].
В работе [1] рассматривается прибор на основе p–n–i–n- структуры GaAs. Прибор имел тиристорную вольт-амперную характеристику (ВАХ) и способен переходить из закрытого в открытое состояние под действием внешнего излучения; p–n-переход в структуре формируется либо последовательным эпитаксиальным наращиванием n- и p-слоев, либо диффузионным способом. Формирование i- слоя осуществляется диффузией примеси через n-слой. В качестве примеси для создания полуизолирующего слоя использовались Cu, Fe или Cr, образующие глубокие энергетические уровни в GaAs. Внешнее электрическое поле прикладывалось к прибору таким образом, чтобы p–n–переход смещался в прямом направлении. Фотогене-
5
рация носителей заряда в i-области и излучательная рекомбинация их в p–n-переходе образовывали в структуре положительную оптическую обратную связь (ПООС), что приводило к появлению области отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ прибора. В работе приведены следующие основные параметры прибора:
–напряжение темнового включения в пределах 10 ... 100 В;
–ток включения в пределах 10 нА ... 10 мкА;
–минимальный ток удержания в пределах 1 ... 10 мА. Авторами также проведен теоретический анализ принципа
действия такой структуры. Несмотря на то, что в приведенном выше варианте структуры не обеспечивается преобразование длины волны внешнего излучения, в работе высказывается идея реализации такой возможности в результате изменения ширины запрещенной зоны полупроводника, в котором происходит излучательная рекомбинация носителей заряда.
Вработе [2] описывается прибор для преобразования длины волны инфракрасного излучения на основе n–p–n-гетероструктуры (ГС), которая изготавливалась путем эпитаксиального наращивания n-слоя на основе Ge на p-подложке на основе GaAs, с обратной стороны которой диффузией серы создавался n-слой на основе GaAs. Внешнее электрическое поле прикладывалось к прибору таким образом, чтобы p–n-переход на основе GaAs смещался в прямом направлении, а p–n-переход на основе Ge – GaAs смещался в обратном направлении. Преобразование длины волны осуществлялось в результате поглощения излучения на длине волны 1,5 мкм Ge-области обратносмещенного перехода и излучения на длине волны 0,9 мкм на
p–n-переходе GaAs. Квантовая эффективность преобразования составляла 2,8·10–5 и принципиально ограничивалась низкой квантовой эффективностью электролюминесценции p–n-перехода на основе GaAs при низких токах инжекции.
Вработе [3] предложен метод преобразования инфракрасного излучения в видимое с помощью твердотельного прибора. Прибор представляет собой многослойную структуру конденсатор – фотодиод – излучатель, в которой на одну грань падает инфракрасное излучение, а с противоположной грани излучается видимый свет (рис. 1.1).
6
а |
б |
Рис. 1.1. Многослойная структура конденсатор – фотодиод – излучатель: а – конструктивная схема; б – принципиальная электрическая схема
Для того, чтобы получить эффективное преобразование излучения и иметь возможность регулировать контраст и чувствительность изображения, создаваемый ИК-приемником слабый ток накапливается и хранится в конденсаторе, а затем передается на излучатель света в виде коротких мощных импульсов тока. Возможность реализации такого прибора и достигаемая при этом эффективность преобразования излучения были продемонстрированы авторами при использовании диодного приемника на InSb и излучающего диода на GaAsP для преобразования инфракрасного излучения с длиной волны до 5,3 мкм в видимое с длиной волны от 0,6 мкм до 0,7 мкм.
Конденсатор образован многослойной структурой металл – окисел – InSb. Излучение попадает на приемник через полупрозрачную металлическую пленку и слой окисла. За время прохождения отпирающих импульсов конденсатор заряжается и излучатель генерирует световые импульсы. В периодах между импульсами приемник оказывается смещенным в обратном направлении и, в зависимости от мощности падающего на него излучения, управляет временем разряда конденсатора через малое обратное сопротивление излучающего диода. Данный прибор позволил авторам преобразовать ИК-излучение с длиной волны до 5,3 мкм и с уровнем плотности оптической мощности 100 мкВт/см2 в свет, видимый невооруженным глазом. При этом полный квантовый выход инфракрасных фотонов в световые имел значение 10–4.
7
Вработах [4 – 7] рассматриваются параметры приборов, полученных совмещением на одной ГС полупроводникового инжекционного лазера и управляющего элемента в последовательную электрическую цепь. В работе [5] в качестве управляющего элемента предложен биполярный транзистор, в работе [7] – полевой транзистор, а в работе [6] – гетерофототранзистор (ГФТ), который обладает коэффициентом усиления 100 … 400 в схеме с общим эмиттером и фоточувствительностью 75 А/Вт при токе 15 мА. Авторы предложили использовать такие приборы для усиления входного оптического излучения.
Вработе [8] представлен прибор для преобразования ИКизлучения с длиной волны 10,6 мкм в видимое излучение с длиной волны 0,53 ... 0,57 мкм. Принцип действия прибора основан на фото-
ионизации носителей заряда, находящихся на мелких уровнях (100 мэВ), образованных нейтральной примесью в светоизлучающем диоде. Максимальная квантовая эффективность преобразования длины волны излучения наблюдалась при температурах ниже 40 К и достигала величины 3,4·10–6.
В работе [9] описывается метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), с помощью которого была получена многослойная p–n–p–n- структура на основе GaAs и исследованы ее основные параметры. Структура обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:
–напряжение темнового включения – в пределах 10 ... 25 В;
–ток утечки при этом напряжении до 100 мА;
–минимальный ток удержания – порядка 500 мкА;
–напряжение в точке удержания в интервале 1,0 … 1,1 В;
– длина волны в максимуме спектра излучения структуры940 нм;
– внешний квантовый выход излучения структуры – 2,5 %. Время переключения структуры в открытое состояние
уменьшается с увеличением напряжения в закрытом состоянии и достигает 250 нс. Также была исследована температурная зависимость параметров структуры в интервале температур 77 ... 300 К.
8