Главная | Обратная связь

Излучатели на основе гетероструктур

Наилучшие параметры имеют диоды, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропроходов) [23]. На рисунке 2.18 изображены энергетические диаграммы излучающей гетероструктуры GaAlAs – GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образу­ется разрыв (скачок) энергии DЕ = Е_з1 - Е_з2. Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры оп­ределяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рисунке 2.18 – электронами). Поэтому при приложении прямого напря­жения имеет место односторонняя инжекция — только электронов из широкого слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой.

Наряду с одинарной в излучающих диодах используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широко­зонный р₃-слой того же, что и база, типа проводимости (в соответствии с рисунком 2.18). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциаль­ную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны).

Рисунок 2.18 – Энергетическая диаграмма излучающей одинарной структуры	Рисунок 2.19 – Энергетическая диаграмма двойной гетероструктуры

 

Из­быточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый вы­ход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быст­родействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстро­действие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной ге­тероструктуре внешний квантовый выход составляет (3¸4) %, а время переключения (40¸80) нс; двойные гетероструктуры имеют примерно та­кое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения (20¸30) нс.

Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со сте­пенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до зна­чительных плотностей тока, и появля­ется возможность изменения степени легирования областей гетерострукту­ры без ухудшения инжекции p-n - перехода.

Другой отличительной особенно­стью гетероструктур является разни­ца в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (в соответствии с рисунком 2.20). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

 

 

Рисунок 2.20 – Спектральная характеристика базы и эмиттера гетероструктуры

 

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эф­фект»). Излучение, претерпевающее на внешней границе кристалла ге­тероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись от различных граней кристалла, в конце концов, падает на внешнюю гра­ницу под таким углом, который дает возможность ему выйти наружу. Как видим, многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглоще­ние в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристалли­ческих решеток не должно превышать 0,01 %, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не выполняются. Высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все преимущества гетероперехода.

2.14 Поглощение света в твердых телах

Свет, попадая в твердое тело, вступает с ним во взаимодействие, связанное с обменом энергии. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или фотонов (теплового движения атомов). Поглощение света в твердом теле происходит в соответствии с законом Бугера-Ламберта

^, (2.78)

где R – коэффициент отражения;

Ф(х) – поток световой энергии на расстоянии x от поверхности (вдоль луча);

Ф₀ – падающий на поверхность поток световой энергии;

a – коэффициент поглощения.

Обратная к нему величина c* = a^-1 численно равна толщине слоя, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в e раз. Зависимость коэффициента поглощения от частоты a(n) или от длины волны a(l) называется спектром поглощения тела.

Виды поглощения в полупроводниках:

· собственное (фундаментальное) поглощение света приводит к переходу электрона из связанного состояния в свободное, т.е. из валентной зоны в зону проводимости. Собственное поглощение возможно при условии hv ³ Е_з, где Е_з - ширина запрещенной зоны полупроводника. Оно наблюдается в видимой и ближней инфракрасной областях, в зависимости от ширины запрещенной зоны;

· примесное поглощение вызвано ионизацией атомов примеси, т.е. переходом электронов от атома примеси в зону проводимости или из валентной зоны на уровни примеси. Концентрация примесных атомов на несколько порядков ниже концентрации собственных атомов решетки, поэтому интенсивность примесного поглощения света гораздо ниже собственного;

· поглощение свободными носителями заряда обусловлено их движением под действием электрических полей световой волны, которая отдает часть своей энергии на ускорение свободных носителей, что приводит к ее ослаблению;

· фононное (решеточное) поглощение обусловлено взаимодействием световой волны с колебаниями кристаллической решетки тела (фотонами), при котором изменяется число оптических фотонов;

· экситонное поглощение вызвано образованием экситона (связанной пары электрон – дырка). Из-за нейтральности экситона изменения электрических свойств тела не происходит.

В основе работы фотоприемников, как правило, используется эффект собственного поглощения. (В некоторых случаях, например, для расширения спектральной характеристики, в длинноволновой области используют примесное поглощение).