1.3. Приборы на основе гетероструктур AlGaAs, полученных методом жидкофазной эпитаксии

Цикл работ [10 – 18] посвящен созданию преобразователя ИК-излучения на основе электролюминесцентного гетерофототиристора. Гетероструктура для гетерофототиристора получена методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в системе твердых растворов AlGaAs. На рис. 1.2 условно изображена энергетическая диаграмма исследуемых ГС, а также процессы генерации, переноса и рекомбинации носителей, разделенные во времени.

Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма ГС (на основе AlGaAs из работы [15])

В зависимости от типа ГС выращивание проводилось на GaAs-подложках n- или p-типа проводимости. Проведенные авторами исследования методом тока, индуцированного электронным зондом на одиночных p–n-переходах в ГС на основе GaAs, полученных при тех же технологических режимах выращивания, что и исследуемые ГС, дали следующие значения диффузионных длин неосновных носителей в базовых областях ГС: Ln = 8 ... 9 мкм; Lp = 4 ... 5 мкм.

Образцы для исследования имели площадь (1 ... 2)·10–3 см2 и обладали следующими основными параметрами:

–напряжение темнового включения – в пределах 10 ... 150 В;

–ток включения Iвкл – в пределах 0,5 ... 100 мкА;

9

– ток минимального удержания – Iвыкл в пределах

0,05 ... 10 мА;

– напряжение в точке удержания – в пределах 1,5 ... 5 В. Внешнее излучение вводилось в ГС со стороны широкозон-

ной части и поглощалось непосредственно в центральном переходе, смещенном в обратном направлении. Область спектральной фото-

(GaAs) и широкозонном (AlGaAs) материале ГС. Оценка авторами величины интегральной чувствительности ГС дала значение

0,8 ... 1,0 А/Вт.

Для гетерофототиристора одной из основных характеристик является характеристика управления. Для этой характеристики важны следующие две величины входной оптической мощности, между которыми она и заключена:

–минимальная величина мощности входного излучения Pмин, при которой прибор переходит в проводящее состояние;

–величина мощности входного излучения, при которой наблюдается спрямление тиристорной ВАХ прибора.

Эти две величины непосредственно связаны с током включе-

ния и удержания. В работе [15] авторы оценивают величину Pмин, исходя из значений параметров ГС, предполагая, что переключение наблюдается, когда фототок равен току включения:

где Eф – энергия падающего света; q – заряд электрона;

Q – квантовая эффективность ГС.

Учитывая механизм усиления первичного фототока, авторы получают следующую формулу:

где k1 и k2 – коэффициенты усиления по току составных триодов ГC. При токах включения Iвкл ~ 10–6 А значение Pмин составляет 10–8 ... 10–9 Вт. Экспериментально зафиксированная авторами вели-

чина минимальной запускающей мощности в исследуемых образцах

ГС равна Pмин = 10–7 ... 10–6 Вт. На рис. 1.3, a показана зависимость напряжения включения от интенсивности входного излучения для

двух образцов ГС с различными Iвкл. Спрямление ВАХ ГС наблюдается при интенсивностях ~ 10–4 Вт. Измеренное авторами время

10

включения ГС не превышает 20 нс, а время восстановления состав-

ляет 60 ... 70 нс.

Рис. 1.3. Зависимость напряжения включения Uвкл от мощности входного излучения Рвх для двух образцов ГС с различными токами включения (а) и зависимость мощности импульса излучения Римп, необходимой для включения ГС, от длительности импульса tимп при двух различных значениях напряжения на исследуемом образце (б)

Приведенная на рис. 1.3, б зависимость мощности импульса излучения, необходимой для включения ГС, от длительности импульса при двух различных значениях напряжения на исследуемом образце ГС показывает, что энергия оптического импульса, необходимая для включения ГС, в одном случае имеет значение 1 ... 2 нДж, а в другом не превышает 40 нДж.

Во включенном состоянии исследуемые образцы излучали на длине волны, определяемой шириной запрещенной зоны узкозонной части ГС. Авторы приводят следующие данные: величина внешнего квантового выхода при выводе излучения параллельно плоскости p–n-перехода без применения просветляющих покрытий составляет

0,15 ... 0,20 %. Мощность излучения Pизл при токе 50 ... 100 мА составляет несколько милливатт. Таким образом, авторы делают вы-

вод, что рассмотренные ГС обладают коэффициентом усиления

Pизл/Pмин ~ 104, причем это значение можно довести до 107 ... 108, используя ГС в режиме генерации когерентного излучения.

Вработе [20] описан оптический способ ввода тока смещения

вбазу гетерофототранзистора (ГФТ) с помощью светоизлучающего диода (СИД). Структура была получена методом двухстадийной

11

ЖФЭ в системе твердых растворов InGaAsP на подложке состава InP. Конструктивно ГФТ и СИД располагались на одной стороне подложки на расстоянии 50 мкм друг от друга и были электрически изолированы друг от друга. Между СИД и ГФТ существовала оптическая связь, величина которой была оценена по коэффициенту усиления ГФТ и выходной мощности СИД и составляла 1 %. При расположении ГФТ непосредственно на СИД оптическая связь усилилась, кроме того, между СИД и ГФТ появилась электрическая связь. Это привело к появлению у прибора тиристорной ВАХ.

В1974 – 1981 гг. публикуется цикл работ [21 – 26] группы авторов из Германии. В этих работах предложено несколько конструкций ГС, полученных методом ЖФЭ в системе твердых растворов GaAlAs. Авторы акцентируют внимание на такой области применения этих ГС, как разработка на их основе твердотельного преобразователя – усилителя ИК-излучения. В 1981 г. авторы опубликовали результаты исследований полученных ими приборов, основной конструктивной идеей которых является совмещение в одном кристалле СИД (или лазерного диода) и ГФТ.

Вработе [25] автор описывает матричный твердотельный преобразователь – усилитель ИК-изображения. Гетероструктура для этого прибора изображена на рис. 1.4. Она состоит из ГФТ и СИД, выращенных последовательно на одной стороне GaAs-подложки методом двухстадийной ЖФЭ в системе твердых растворов GaAlAs.

Рис. 1.4. Гетероструктура для матричного твердотельного преобразователя – усилителя ИК-изображения

Прибор работает следующим образом. Основное падение напряжения источника питания происходит в области ГФТ, так как переход база – коллектор ГФТ смещен в обратном направлении.

12

ИК-излучение поглощается в базовой области ГФТ, где генерируются электронно-дырочные пары. Генерированные дырки вызывают инжекцию электронов из эмиттера в коллектор и далее в активную область СИД. Это приводит к перераспределению напряжения источника питания между СИД и ГФТ. СИД смещается в прямом направлении, и в его активную область из широкозонного эмиттера инжектируются дырки. Излучательная рекомбинация носителей в активной области СИД приводит к излучению света с длиной волны, соответствующей ширине запрещенной зоны активной области.

Усиление оптической мощности входного излучения может быть достигнуто в результате получения большого коэффициента усиления ГФТ, включенного по схеме с общим эмиттером. Преобразование длины волны входного излучения достигается из-за разной ширины запрещенной зоны у фотоприемной (база ГФТ) и излучающей (активная область СИД) частей ГС.

В данной работе автор указывает на наличие положительной оптической обратной связи (ПООС) в приборе между СИД и ГФТ, которая возникает при поглощении излучения из активной области СИД в базе ГФТ. Для того, чтобы получить линейное усиление мощности входного излучения, возникновение ПООС в приборе необходимо предотвратить. С этой целью автор вносит в ГС (между СИД и ГФТ) дополнительный, поглощающий излучение активной области СИД слой толщиной 10 мкм, который является прозрачным для входного ИК-излучения. На основе такой ГС была получена монолитная матрица с размером отдельных элементов 400 мкм × 400 мкм. Элементы матрицы изолировали между собой травлением ГС до уровня эмиттерного слоя ГФТ.

Автор исследовал приборы с различной шириной запрещенной зоны активной области СИД. Выходные характеристики двух приборов с различной длиной волны выходного излучения изображены на рис. 1.5. Для того, чтобы иметь возможность наблюдать выходное изображение со стороны, противоположной той, через которую вводится ИК-излучение, автор предлагает предварительно наращивать на подложке широкозонный буферный слой на основе GaAlAs, прозрачный для ИК-излучения, а после эпитаксии удалять подложку травлением. В этом случае становится возможным введение ИК-излучения в прибор через широкозонный буферный слой.

13