Оптоэлектроника Введение.
Оптоэлектроника- это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации.
Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно- технологические концепции современной электроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонких пленок, диффузия , ионная имплантация, плазмохимия и др.
Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют (внутри единого монокристалла) полупроводники с различными значениями ширины запрещеной зоны. Гетеропереход. Физические основы.
Если n- и p-область перехода изготовлены из различных полупроводников, то такой переход называется гетеропереходом. Отличие
от обычного перехода более тонко в том случае, когда полупроводники взаиморастворимы, а переход плавный. Переходы последнего типа иногда называют "квазигомопереходами". Таким образом, плавные переходы между n-ZnSe и p-ZnTe или между p-GaAs и n-GaР являютcя квазигомопереходами.
Одной из причин обращения к гетеропереходам является возможность получить высокоэффективную инжекцию неосновных носителей в узкозонный полупроводник, т. е. суперинжекция, заключающаяся в том, что концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превысить их равновесное значение в змиттерной области (см. рис. 1). Это означает, что стремление получить g=1 в широком интервале изменения прямого тока не накладывает каких-либо ограничений на вид и концентрацию легирующей примеси в эмиттерной и базовой областях - у разработчика оптоэлектронных приборов появляется лишняя "степень свободы".
Это свойство гетеропереходов легко понять из рассмотрения рис. 2. Когда прямое смещение выравнивает валентную зону, дырки нжектируются в n-область. Инжекции же электронов из n-области в p-область препятствует барьер DE = Еg1 - Еg2 (см. рис. 2).
Рис. 2. Идеальная зонная схема для гетероперехода. а) - в условиях равновесия; б) - при прямом смещении V
Очевидно, что в этом случае излучательная рекомбинация будет происходить в узкозонной области. Так, в гетеропереходах GaAs - GaSb полоса инжекционной люминесценции находится при энергии 0, 7 эВ , что равно ширине запрещенной зоны GaSb. Оптические свойства эмиттера и базы гетероструктуры различны и могут в широких пределах изменяться независимо друг от друга. Отсюда, в частности, следует, что широкозонный эмиттер представляет собой "окно" для более длинноволнового излучения, генерируемого (или поглощаемого) узкозонной базой. Кроме того, различие в значениях Еg ведет и к различию показателей преломления n, что порождает волноводный эффект, т. е. концентрацию оптической энергии в слое с большим n при распространении излучения вдоль слоя.
На практике гетеропереходам присущи недостатки, связанные с границей раздела: уровень Ферми оказывается фиксированным на границе из-за поверхностных состояний. Поэтому вместо ровного хода для одной из зон обычно имеет место барьер типа Шоттки, как показано на рис. 3. Поскольку барьер Шоттки обладает выпрямляющим действием, его рисутствие становится очевидным при рассмотрении n-n-гетеропереходов - т. е. переходов между двумя различными полупроводниками n-типа . Рис. 3
Особый интерес представляют гетеропереходы между CdS и каким-либо более широкозонным полупроводником p-типа. Кристаллы CdS всегда имеют n-тип проводимости, и р-n-переходы в этом материале до сих пор не изготовлены, несмотря на более чем двухдесятилетние усилия многих исследовательских групп. Соединение CdS обладает широкой прямой запрещенной зоной (Еg d 2, 5 эВ) и может излучать зелено-голубой свет.
Были предприняты попытки изготовить гетеропереходы между CdS и SiC. SiC широкозонный полупроводник, которому, по желанию, с помощью соответствующего легирования можно придать n- или p-тип проводимости. В зависимости от модификации ширина запрещенной зоны SiC варьируетсн от 2, 7 до 3, 3 эВ. Модификация определяет характер периодичности в расположении атомных связей. CdS n-типа был выращен на SiC р-типа, с тем чтобы дырки при прямом смещении могли инжектироваться в CdS и создавать видимое излучение. Было обнаружено, что спектр излучения сдвигается с током и цвет люминесценции плавно меняется от красного до зеленого. Соединение Cu2S , которое имеет p-тип проводимости, также обладает запрещенной зоной, более широкой чем CdS. Гетеропереходы, изготовленные напылением Cu2S на CdS, имеют красную инжекционную люминесценцию, интенсивность которой линейно менялась с током. Этот процесс, по-видимому, связан, с рекомбинацией через глубокие центры. Применение гетеропереходов. Излучатели. Инжекционный лазер.
Инжекционнный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто как равноправный используется термин "лазерный диод"), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход. Разновидности инжекционных лазеров. Рассмотренные теоретические положения предопределяют пути совершенствования простейшей структуры лазера. Обследованы и реализованы варианты расположения слоев по толщине кристалла. В гомогенном полупроводнике p-n-переход как средство электронного ограничения весьма несовершенен: при высоких уровнях накачки происходит бесполезная инжекция электронов влево (из-за падения коэффициента инжекции), ограничение справа достигается лишь естественным убыванием концентрации введенных дырок по закону exp(-х/L). Границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины активной области W и Wопт, не определенны и меняются от режима накачки. Все эти несовершенства, проявляющиеся в конечном счете в высоком значении плотности порогового тока, предопределили бесперспективность лазеров на однородных полупроводниках. Широкое промышленное распространение получили только гетеролазеры, общими особенностями которых являются односторонняя инжекция, четко выраженный волноводный эффект, возможность суперинжекции.
В односторонней гетероструктуре (ОГС) электронное ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере на гомогенном полупроводнике (рис. 4, a); преимущество ОГС перед другими гетероструктурами состоит в простоте технологии.
Поистине классической стала двойная (двусторонняя) гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная область "зажата" между двумя гетерограницами (рис. 4, б): именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. Четырех и пятислойная структуры, являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют при очень тонкой области накачки W иметь толщину волновода Wопт, оптимальную с точки зрения модовых соотношений. В пятислойных GaAlAs - структурах удается получать Jпор=102 A/см2 и Рвых d 0, 1 Вт. Отметим, что технологические соображения требуют создания ряда переходных слоев, поэтому реальные лазерные структуры значительно сложнее, чем физические модели.
Рис. 4. Энергетические диаграммы активных структур инжекционных лазеров и распределения инжектированных носителей заряда (заштрихованные области): а) односторонняя гетероструктура (ОГС), б)двойная гетероструктура (ДГС).
Особенности инжекционных лазеров. Инжекционные лазеры имеют ряд достоинств, выделяющих их среди излучателей и предопределяющих доминирующую роль в оптоэлектронике.
1. Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения - к 1 мкм2 (объем активной области может достигать 10-12см3). Это возможно потому, что в полупроводниковых лазерах индуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона - зона, поэтому и усиление в них наибольшее (gd103.... 104 см-1).
2. Высокий КПД преобразованияэнергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу. Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери - вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов.
3. Удобство управления: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).
4. Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемая выбором или синтезом прямозонного полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны; возможность одномодового режима. 5. Использование твердотельной микроэлектронной групповой технологии. Отсюда высокая воспроизводимость параметров, пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность.
6. Совместимостьс основным элементом микроэлектроники - транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей.
Инжекционным лазерам присущи и определенные недостатки, к принципиальным можно отнести следующие:
невысокая когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) - значительная ширина спектральной линии, большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм;
относительно малая генерируемая мощность (некоторые оптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности); существенность таких негативных явлений, как временная деградация (в особенности для коротковолновых лазеров), резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры и воздействии радиации. Светодиоды Светодиод представляет собой полупроводниковый диод с
p-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации:
межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона-зона);
рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках. Как и в случае лазеров наилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды на основе гетероструктур, хотя специфика генерации некогерентного излучения позволяет широко использовать и светодиоды на основе однородных полупроводников.
Переходя к гетероструктурам, отметим, что введение в них дополнительного переходного слоя с плавно изменяющимся значением Еg, обусловлено технологическими задачами: благодаря постепенному изменению состава меньше сказываются напряжения из-за несогласованности кристаллографических постоянных. Укажем также, что p-области представляют собой многослойные образования, причем каждый из слоев характеризуется не только своим значением запрещенной зоны, но также видом и концентрацией легирующей примеси. Структуры рис. 5 представляют собой ОГС и ДГС.
Рис. 5. Схемы расположения p- и n- слоев и изменения ширины запрещенной зоны по сечению кристалла для : а)ОГС; б)ДГС. W - толщина активной области, в которой идет эффективная излучательная рекомбинация.
Если в ДГС широкозонные "обкладки" активной области сделать достаточно толстыми (или хотя бы одну из них), то подложку можно удалить (стравить), и тогда лучи света, распространяющиеся вправо, не будут поглощены, а после отражения от нижней границы кристалла вновь направятся к левой поверхности и при попадании в апертурный угол выйдут наружу. Процесс отражения от границ вглубь кристалла может повторяться многократно до тех пор, пока световой луч не придет под нужным углом к левой поверхности. При этом нежелательного поглощения излучения в широкозонных областях не происходит. В таких многопроходных структурах с удаленной подложкой коэффициент вывода излучения может достигать десятков процентов. 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 A3B5объединены 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"