 |
Искусственные квантовые ящики
|
|
|
|
Искусственные квантовые ящики и сверхрешетки находят все большее применение при разработке излучателей. По мере уменьшения толщин активных зон лазеров и светодиодов становятся существенными квантовые размерные эффекты, т.е. явления, в которых малые геометрические размеры рассматриваемых областей обязывают учитывать квантовую природу свободных носителей заряда.
Если толщину активной области двойной гетероструктуры уменьшить до WdlБ(длина волны де Бройля), то свободные электроны в этой области начнут вести себя подобно двухмерному газу. Это значит, что в любой конкретный момент времени могут быть указаны лишь две координаты электрона (y и z на рис. 6,б), тогда как по координате x он "размазан" по всей толщине W. Такая сверхтонкая ДГС представляет собой квантовую яму (или квантовый ящик), удерживающую двухмерный электронный газ. Последовательное чередование большого числа таких ям образует сверхрешетку (рис. 6,в). В общем случае отдельные ямы в сверхрешетке не обязательно должны быть одинаковыми по глубине и ширине, как это представлено на рис. 6,г.
Рис. 6. Квантовый размерный эффект в гетероструктуре:
а) представление электрона в виде волнового пакета де Бройля;
б) электрон (волня де Бройля) 1 в двумерной квантовой яме 2;
в) чередование слоев арсенид-фосвида галлия с меньшим (A) и большим (B) содержанием мышьяка в сверхрешетке.
г) энергетическая диаграмма в сверхрешетке (1 - энергетические зоны, обусловленные эффектом размерного квантования).
Квантовые ящики и сверхрешетки изготавливают путем последовательного эпитаксиального выращивания сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводниковых соединений разного состава. Например, схема рис. 6,в,г реализована в одном из приборов при молекулярно-лучевой эпитаксии чередующихся слоев арсенид-фосфида галлия с большим и меньшим содержанием мышьяка; при этом число слоев 100...200, а ширина запрещенной зоны скачкообразно изменяется от
|
|
|
Еg1 = 1,4 до Еg2 = 1,9 эВ и обратно.
Размерное квантование порождает два основных физических эффекта:
изменение зонной диаграммы, проявляющееся в появлении новых разрешенных энергетических состояний для электронов (1 на рис. 6,г); тем самым принципиально может быть сформирована зонная структура любого вида;
изменение кинетики электронов, проявляющееся в их пробеге между гетерограницами без соударений (и без потерь энергии) с примесными атомами, - таково свойство волны де Бройля, распространяющейся в среде с периодически изменяющимся потенциалом; подвижность электронов оказывается такой же, как в чистом полупроводнике.
Технологическая особенность сверхрешеток состоит в том, что вследствие малости толщин соседних слоев становится существенным выравнивающее действие механических напряжений: практически сверхрешетка, несмотря на различие состава слоев, имеет одно общее усредненное значение кристаллографической постоянной. Можно предположить, что для излучателей это обстоятельство окажется более важным, чем физические факторы.
Из физических и технологических особенностей сверхрешеток вытекает ряд важных для создания излучателей следствий, часть которых уже получила экспериментальное подтверждение: это получение более высоких, чем ранее, коэффициентов усиления волны в активной среде и, как следствие, уменьшение длины резонатора лазера или снижение порогового тока; достижение высокой подвижности в сильно легированном материале и на этой основе повышение быстродействия как самих излучателей, так и схем электронного обрамления; возможность "перевода" непрямозонных полупроводников в прямозонные, получение прямозонных структур с любой шириной запрещенной зоны, а также лазеров (и светодиодов) с перестраиваемой длиной волны, продвижение в сине-зеленую и УФ-область спектра; совмещение материалов с сильным структурным рассогласованием; неизбежность открытия новых полезных явлений при дальнейшем исследовании сверхрешеток.
|
|
|
Таким образом, развитие физики и становление техники приборов с искусственными квантовыми ямами и сверхрешетками приведет к качественному скачку в области излучателей и в оптоэлектронике в целом.
Приемники
Фотодиод
Фотодиод - это фотоприемник, представляющий собой полупроводниковый диод, сконструированный и оптимизированный так, что его активная структура оказывается способной эффективно воспринимать оптичское излучение. Практически для этого корпус фотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла. Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих элементов (непрозрачных металлических электродов), сводятся до минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия и т.п.
Рис. 7. Фотодиод с гетероструктурой (1- широкозонное окно; 2- активная область; 3- подложка с переходным слоем).
Гетерофотодиоды (рис. 7) представляют собой одну из наиболее бурно развивающихся разновидностей оптоэлектронных фотоприемников. В конструкции любого гетерофотодиода выделяются прежде всего две области: "широкозонное окно" и активный фоточувствительный слой. Широкозонное окно без потерь пропускает излучение к активной области и в то же время является контактным слоем с малым последовательным сопротивлением. Процессы в активной области - поглощение излучения, накопление (собирание) генерируемых носителей заряда - в значительной степени протекают так же, как и в кремниевой p-i-n-структуре. Важное отличие заключается в том, что выбором подходящего полупроводникового соединения фоточувствительного слоя удается обеспечить полное поглощение излучения (в том числе и в ИК-области) при толщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что для Si-p-i-n-структур в длинноволновой области принципиально недостижимо: для полного поглощения излучения с l~1,06 мкм толщина i-области должна составлять около 3ОО мкм, а рабочее напряжение - сотни вольт. Таким образом, гетерофотодиоды в некотором роде эквивалент кремниевых р-i-n-диодов в длинноволновой области, хотя их значимость этим не исчерпывается.
|
|
|
Свобода выбора материала обусловливает и возможность достижения повышенных значений фото-ЭДС (например, Uxx=0,8... 1,1 В
у GaAlAs-структур), высокого значения КПД преобразования (до 100%), меньших, чем у кремния, темновых токов и шумов, расширения температурного диапазона, повышения устойчивости к воздействию проникающей радиации.
Важнейшим достоинством гетерофотодиодов является их физическая и технологическая совместимость с устройствами интегральной оптики. Несомненно полезным может оказаться то, что они могут быть изготовлены на одном кристалле с излучателем и микросхемой, т. е. открывается возможность создания универсальных монолитных оптоэлектронных элементов дуплексной связи. Гетерофотодиоды значительно сложнее в изготовлении, чем кремниевые, однако имеющиеся технологические трудности постепенно преодолеваются. Основные материалы гетерофотодиодов - GaAlAs для l~0,85 мкм и InGaAsP, InGaAs для l=1,3... 1,55 мкм. Гетерофотодиоды работают и в режиме лавинного умножения, причем благодаря малой толщине активной области рабочее напряжение может составлять десятки вольт. Препятствием на пути их развития является то обстоятельство, что практически для всех соединений А3В5 коэффициенты размножения
электронов и дырок приблизительно одинаковы (a-da+) это ведет к повышенному уровню шумов. Исключение составляет GaSb, однако этот материал пока все еще характеризуется очень низким качеством. Поэтому широкое развитие лавинных гетерофотодиодов маловероятно, их альтернативой являются интегрированные структуры, в которых на одном кристалле полупроводника A3B5 объединены гетерофотодиод и МДП - транзистор. Быстродействие таких структур может быть менее
|
|
|
0,1 нс при внутреннем усилении около 102.
Создание гетеро-ЛФД представляется возможным благодаря развитию техники сверхрешеток. Анализ показывает, что в сверхрешетке можно доводить отношение a+/a-- до 20 и более.
Фототранзисторы
Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизмов встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего - управляющего - электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их примернения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями. Они изготавливаются практически только на кремнии.
Рис. 8. Гетерофототранзистор
1-- n+-InP-эмиттер с кольцевым электродом;
2-- p-InGaAsP-база;
3-- n+-n-InP-коллектор (подложка).
Гетерофототранзисторы (рис. 8) основаны на принципе действия обычного биполярного фототранзистора, но в них используются и все достоинства гетероструктур: широкозонные эмиттерное и коллекторное окна (что позволяет создавать конструкции с прямой и обратной - через толстый коллекторный слой - засветкой); тонкая фотоактивная базовая область, полностью поглощающая воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующих просачиванию основных носителей базы в коллектор и накоплению их в нем. Все это ведет к тому, что гетерофототранзисторы могут иметь не только высокую чувствительность в любом заданном участке спектра, но и очень высокое быстродействие (в нано- и субнаносекундном диапазоне). Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (так как вывод от узкой базовой области сделать затруднительно), что лишает их схемотехнической гибкости, присущей транзисторам. По мере усовершенствования и промышленного развития эти приборы станут "соперниками" ЛФД, выгодно отличаясь от них низким питающим напряжением, отсутствием жестких требований к стабилизации режима работы и другими достоинствами, присущими транзисторам.
Заключение
Итак, как вы уже успели убедиться, применение гетеропереходов в оптоэлектронике помогает разрешить многие проблемы. Так, в частности, найдено решение задачи создания приборов с прямозонной энергетической диаграммой, что не удавалось реализовать на гомогенных структурах. Прозрачность широкозонного эмиттера для рекомбинационного излучения базы гетерогенной структуры существенно облегчает задачу констуирования излучательных приборов. Также гетероструктуры способствуют всё большей интеграции оптоэлектронных устройств. Реализация сверхрешеток позволит создавать элементную базу с произвольными зонными диаграммами, т.е. гетероструктуры являются перспективным направлением исследования. Технологические трудности изготовления гетеропереходов, как нам кажется, явление временное и в недалеком будущем преодолимое. Применительно к нашей специальности (физика и техника оптической связи) гетероструктуры являются хорошим подспорьем в конструировании систем волоконно-оптической связи. Инжекционные лазеры, например, с их способностью генерировать пучок света, (являющийся переносчиком информации в волоконно-оптических линиях связи) с наперед заданным направлением распространения - решение проблемы миниатюризации основных элементов систем волоконно-оптической связи.
|
|
|
Конечно, существуют еще много неразрешенных проблем, но, как нам кажется, будущее оптоэлектроники неразрывно связано с гетероструктурами.
Литература:
Панков Ж. "Оптические процессы в полупроводниках"
Носов Ю.Р. "Оптоэлектроника"
|
|
|
12 |
