Гетероструктура - полупроводниковая структура с неск. гетеропереходами (ГП). Возможность
изменять на границах ГП ширину запрещённой зоны
и диэлектрическую проницаемость
позволяет
в Г. эффективно управлять движением носителей заряда, их рекомбинацией, а также
световыми потоками внутри Г.
Рис. 1. Зонные диаграммы
гетероструктуры типа N--р-P: а-в равновесии; б - при прямом смещении;
- уровень Ферми,
квазиуровни
Ферми
Электронное ограничение.
На рис. 1, а показана зонная диаграмма Г. типа N-р-P (двойная Г., ДГ).
Предполагается, что толщина d узкозонного р-слоя меньше диффузионной
длины (L)неравновесных носителей.
При прямом смещении (рис. 1, б)барьер в зоне проводимости на изотипном
р-P-ГП ограничивает сквозной диффузионный ток электронов, инжектированных
в р-слой, а барьер в валентной зоне на N-р-ГП - сквозной ток дырок
(ограничение сквозного тока имеет место и в Г. типа N-п-P). В большинстве случаев, когда разрывы в зонах
и
(T - темп-pa
кристалла), сквозным диффузионным током в ДГ можно пренебречь и в р-слое
имеет место полное ограничение инжектир. носителей, т. е. локализация неравновесных
носителей зарядов в узкозонной части Г., ограниченной более широкозонными полупроводниками.
В этом случае плотность j тока прямого смещения определяется только рекомбинацией
носителей заряда в узкозонном (активном) слое:
где
- концентрация неравновесных носителей, инжектированных в активный слой,
-
их время жизни, е - элементарный заряд. При толстом р-слое
. Отсюда следует, что при одинаковой плотности тока в ДГ за счёт электронного
ограничения концентрация неравновесных носителей
в тонком р-слое
в LId раз больше, чем в толстом.
Оптическое ограничение
(волноводный эффект). T. к. узкозонный слой имеет обычно больший показатель
преломления n1>n2 (рис. 2), то в нём имеет место
волноводное распространение света, обусловленное полным внутренним отражением света на границах. Оно отчётливо проявляется, когда
(
- длина волны
света). Волноводный эффект может наблюдаться как при освещении Г. извне, так
и для света излучат. рекомбинации внутри узкозонного слоя. Последний случай
наиб. важен в большинстве практич. применений (см. ниже).
Рис. 2. Волноводный эффект
в двойной гетероструктуре n1- показатель преломления узкозонного
слоя, n2- широкозонных слоев; E2(z) - зависимость
интенсивности световой волны от координаты z.
Структура эл--магн. полей,
соответствующих локализованным волнам (собственным модам оптич. волновода, см.
Световод ),может быть найдена из решений ур-ний Максвелла, если в полупроводниковых
слоях Г. известна функция n(z). Волноводные свойства Г. могут изменяться
под влиянием внеш. воздействий, напр. при возбуждении в узкозонном слое неравновесных
носителей, т. к. в зависимости от их концентрации изменяется диэлектрическая
проницаемость узкозонного слоя.
Практическое применение.
Наиб. важное применение Г.- т. н. оптоэлектронные приборы (гетеролазеры, гетеросветодиоды).
В Г., активная область к-рых представляет собой прямозонный полупроводник типа
AIIIBV с ~1
эВ, внутр. квантовый выход излучат. рекомбинации (отношение числа носителей,
рекомбинирующих с излучением фотона, к общему числу инжектированных в узкозонный
слой носителей)
~100%
в широком диапазоне степени легирования и температуры (включая 300К). T. о., при
рекомбинации неравновесных носителей в активной области Г. энергия внеш. источника
практически полностью может быть преобразована в световую энергию (см. Гетеролазер).
В гетеросветодиодах (источниках спонтанного излучения) излучающая область также прямо-зонный полупроводник AIIIBV. Вывод излучения обычно осуществляется перпендикулярно плоскости Г. через верхний широкозонный слой (эмиттер, плоское т.
Г. применяются для создания
приёмников оптического излучения - фотодиодов, лавинных фотодиодов, фототранзисторов
и фототиристоров, преобразователей ИК-излучения в видимое. Наиб. быстродействие
и чувствительность имеют Г. типа п+ - п°-Р или p+
-p°-N (+ означает сильное легирование, ° - слабое), освещаемые через
широкозонную область. Такие приборы обладают быстродействием ~10-10
-10-11 с и ,
близкой к 100%. Изменяя состав и, следовательно,
компонент, можно в широких пределах изменять диапазон спектральной чувствительности
фотоприёмников. Использование Г. в лавинных фотодиодах позволяет управлять их
осн. параные диоды), максимальный внешний квантовый выход (отношение числа вышедших
фотонов к числу рождённых)
~40%.
Плоскостные ИК-диоды используются в оптронах. ИК-диоды для волоконных линий
связи (см. Волоконная оптика)обладают высокой энергетич. яркостью, которая
достигается как за счёт локализации области протекания тока, так и за счет сужения
диаграммы направленности излучения вследствие волноводных эффектов, проявляющихся
при выводе излучения через боковые грани кристалла, параллельно плоскости ГП
(торцовые диоды). Быстродействие для диодов с сильнолегированными активными
областями ~10-8-10-9 с (см. также Светоизлучающий диод).
Рис. 3. Зонная структура
солнечных гетерофотоэлементов: а - структуоа
с промежуточным варизонным слоем; б - структура с
промежуточным преобразованием КВ-света в люминесцентное излучение.
Ввод и вывод излучения
в Г. без поглощения позволили создать эффективные эл--люминесцентные фототиристоры
(усилители света), а также преобразователи ИК-излучения в видимое, ДВ-граница
чувствительности к-рых значительно сдвинута по сравнению с др. электронно-
оптическими преобразователями.
На основе Г. типа п-р-P созданы солнечные батареи. Область их спектральной чувствительности
~ 0,4-0,9 мкм, что соответствует максимуму спектрального распределения интенсивности
солнечного света; кпд ~ 25%, плотность снимаемой мощности ~ 40 Вт/см2.
Наиб. преимуществами по сравнению с др. преобразователями обладают солнечные
гетерофотоэлементы при работе с концентрир. потоками солнечной энергии. Гомопереход
р-п создаётся в узкозонном полупроводнике (рис. 3); широкозонное
"окно", через к-рое падает излучение, состоит из неск. слоев полупроводников
постоянного (с постоянным
)
и переменного (варизонный полупроводник) составов. Для собирания макс. кол-ва
фотонов осуществляется преобразование частоты коротковолновой
части спектра солнечного света. В 1-м случае (рис. 3, а) часть фотонов
поглощается в варизонном полупроводнике и рождённые носители доставляются внутр.
"тянущим" полем Ei к р-n-переходу, в цепи
к-рого возникает электрич. ток. Во 2-м случае (рис. 3, б) поле Ei доставляет носители в тонкий слой
, где они рекомбинируют, а излучённые при этом фотоны поглощаются
в области объёмного заряда р-n-перехода.
Г. с прямозонными широкозонными
полупроводниками, обладающими малыми временами
жизни неравновесных носителей и малыми их диффузионными длинами L, позволили
создать быстродействующие диоды, транзисторы и тиристоры, работающие при комнатных
темп-pax (Т~300К). В выпрямительных полупроводниковых диодах для увеличения
пробивных напряжений требуется увеличение толщины слаболегир. области (базы),
в к-рой находится пространственный заряд. Это приводит к возрастанию потерь
при протекании тока в прямом направлении из-за роста падения напряжения на базе.
В гетеродиодах с плавными гетеропереходами низкое падение напряжения на базе
N0 достигается благодаря увеличению L в "тянущем"
поле. Увеличение эффективной величины L в базе осуществляется в Г. за
счёт переноса носителей собств. рекомбинац. излучением.
В биполярных гетеротранзисторах
с широкозонным эмиттером за счёт одностороннего характера инжекции эффективность
эмиттерного гетероперехода ~1, независимо от легирования базовой и эмиттерной
областей (см. Транзистор ).В гетеротранзисторах базовая область может
быть легирована сильнее эмиттерной, что, уменьшая сопротивление базы и ёмкость
эмиттерного перехода, повышает быстродействие. Для предотвращения инжекции дырок
в коллектор, затягивающей время рассасывания, в импульсных гетеротранзисторах
наряду с широкозонным эмиттером используется и широкозонный коллектор. В полевых
транзисторах на ДГ с узкозонным каналом за счёт электронного ограничения улучшаются
шумовые характеристики, а широкозонный затвор улучшает управление каналом.
T. к. тиристор может быть
представлен в виде комбинации двух транзисторов с Г. типа р-п-р и п-
р-п, между к-рыми существует положит. обратная связь по току, то всё сказанное
о гетеротранзисторах применимо и к гетеротиристорам. Высокий
позволяет управлять напряжением включения путём преобразования электрич. сигнала
в оптический в самой Г. и последующего его преобразования в электрический на
коллекторном переходе. Это исключает ограничения на время включения, связанное
с диффузией и дрейфом носителей заряда, а также с временем распространения включённого
состояния.
Гетеролазеры и гетерофотоприёмники,
используемые в сочетании с плёночными полупроводниковыми волноводами, могут
выполняться на основе единой Г. и на общей полупроводниковой подложке объединяться
(интегрироваться) в оптич. схему (методами Планерной технологии). Для управления
условиями генерации и распространения света часто используются сложные Г., активный
слой к-рых состоит из неск. слоев постоянного или плавно изменяющегося состава
с соответствующим изменением .
Помимо локализации света в пределах одного или неск. слоев в плоскости ГП, при
создании интегрально-оптич. схем возникает необходимость дополнит. локализации
световых потоков в плоскости волноводных слоев (в плоскости ГП). Такие волноводы
наз. полосковыми и создаются изменением либо состава и свойств полупроводника
в плоскости волноводного слоя, либо толщины слоев. "Встраивание"
гетеролазера в волноводную схему осуществляется с помощью оптического резонатора, образуемого периодич. модуляцией толщины волноводного слоя. При определ.
выборе периода модуляции благодаря дифракции в волноводе возникает волна, бегущая
в обратном направлении. В результате формируется распределённое отражение света
(см. Интегральная оптика).
Материалы и технология. В приборах на основе Г. чаще всего используются полупроводники AIIIBV
и AIVBVI.
На основе бинарных соединений может быть получен лишь дискретный набор значений
Однако практически
между всеми бинарными соединениями образуются 3- и 4-компонентные твёрдые
растворы, замещения (напр., между GaAs и AlAs образуются
;
между
), варьирование
состава (х, у)к-рых позволяет плавно изменять
(рис. 4). Наиб. широко используются Г.:
,
и
Твёрдые р-ры на основе соединений AIIIBV перекрывают диапазон
изменения
~0,2-2,5
эВ. Отсюда спектральный диапазон оптоэлектронных приборов простирается от видимого
света (
=0,51 мкм)
до ИК-излучения (
=7,6
мкм).
В Г. на основе 3-компонентных
твёрдых растворов условие изопериодичности лучше всего выполняется для твёрдых
растворов , где
ZV - элемент V группы периодической системы элементов. В 4-компонентных
твёрдых растворах при изменении х, у изменяется параметр решётки а. Поэтому условие изопериодичности с подложкой выполняется лишь в ограниченной
области х, у. Тем самым спектральный диапазон приборов на Г. с 4-компонентными
твёрдыми растворами уже, чем при полном наборе х и у.
Рис. 4. Диаграмма
- параметр решетки а для полупроводниковых соединений и твёрдых растворов
AIIIBV.
Для получения Г. применяются
3 метода: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), хим. осаждение из газовой фазы
(ХОГФ) и молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ). В наиб. широко используемом методе
ЖФЭ осаждение эпитаксиального слоя происходит из раствора-расплава, к-рый находится
в контакте с поверхностью подложки (для AIIIBV растворитель
чаще всего элемент III группы). Метод ХОГФ применяется в основном для выращивания
эпитаксиальных Г. на основе полупроводников AIIIBV. В
методе МПЭ эпитаксиальные слои выращиваются осаждением на подложке атомов и
молекул, потоки к-рых формируются в сверхвысоком вакууме.
Ж. И. Алферов, С. А. Гуревич, В. И. Корольков.
|
![]() |