Реферат
«Электронно-дырочные гетеропереходы и их отличия отгомопереходов»
Гетеропереход
Контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Награнице раздела ПП обычно изменяются ширина запрещённой зоны, подвижностьносителей заряда, их эффективные массы и др. характеристики. В «резком» Г.изменение св-в происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем ширинаобласти объёмного заряда (см. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД). В зависимости отлегирования обеих сторон Г. можно создать р – n-Г. (анизотипные) и n-Г. или р –р-Г. (изотипные). Комбинации разл. Г. и монопереходов образуют гетероструктуры.
Образование Г., требующее стыковки крист. решёток, возможнолишь при совпадении типа, ориентации и периода крист. решёток сращиваемыхматериалов. Кроме того, в идеальном Г. граница раздела должна быть свободна отструктурных и др. дефектов (дислокаций, точечных дефектов и т.п.), а также отмеханич. напряжений. Наиболее широко применяются монокристаллич. Г. междуполупроводниковыми материалами типа AIIIBV и их твёрдыми растворами на основеарсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al. Благодаря близости ковалентныхрадиусов Ga и Al изменение хим. состава происходит без изменения периодарешётки. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (четверныхи более) тв. растворов, в к-рых при изменении состава в широких пределах периодрешётки не изменяется. Изготовление монокрист. Г. и гетероструктур сталовозможным благодаря развитию методов эпитаксиального наращивания ПП кристаллов(см. ЭПИТАКСИЯ).
Г. используются в разл. ПП приборах: ПП лазерах, светоизлучающихдиодах, фотоэлементах, оптронах и т.д.
Гомопереход
В отличие от гетероперехода – контакт двух областей с разнымитипами проводимости или концентрациями легирующей примеси в одном и том жекристалле полупроводника. Различают p – n-переходы, в к-рых одна из двухконтактирующих областей легирована донорами, а другая – акцепторами (см. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙПЕРЕХОД), n+–n-переходы (обе области легированы донорной примесью, но в разл.степени) и p+–p-переходы (обе области легированы акцепторной примесью).
Гетеропереход. Основные свойства и характеристики
Разработками данной проблемы занималсявыдающийся советский ученый Ж.И. Алферов. В 1961 г. он защитилкандидатскую диссертацию, посвящённую в основном разработке и исследованиюмощных германиевых и частично кремниевых выпрямителей. Заметим, что в этихприборах, как и во всех ранее созданных полупроводниковых приборах,использовались уникальные физические свойства p–n-перехода – искусственносозданного в полупроводниковом монокристалле распределения примесей, прикотором в одной части кристалла носителями заряда являются отрицательнозаряженные электроны, а в другой – положительно заряженные квазичастицы,«дырки» (латинские n и p как раз и значат negative иpositive). Поскольку различается лишь тип проводимости, а веществоодно и то же, p–n-переход можно назвать гомопереходом.
Благодаря p–n-переходу вкристаллах удалось осуществить инжекцию электронов и дырок, а простаякомбинация двух p–n-переходов позволила реализоватьмонокристаллические усилители с хорошими параметрами – транзисторы. Наибольшеераспространение получили структуры с одним p–n-переходом (диоды ифотоэлементы), двумя p–n-переходами (транзисторы) и тремя p–n-переходами(тиристоры). Всё дальнейшее развитие полупроводниковой электроники шло по путиисследования монокристаллических структур на основе германия, кремния,полупроводниковых соединений типа АIIIBV (элементов III иV групп Периодической системы Менделеева). Улучшение свойств приборов шлоглавным образом по пути совершенствования методов формирования p–n-переходови использования новых материалов. Замена германия кремнием позволила поднятьрабочую температуру приборов и создать высоковольтные диоды и тиристоры. Успехив технологии получения арсенида галлия и других оптических полупроводниковпривели к созданию полупроводниковых лазеров, высокоэффективных источниковсвета и фотоэлементов. Комбинации диодов и транзисторов на одноймонокристаллической кремниевой подложке стали основой интегральных схем, накоторых базировалось развитие электронно-вычислительной техники. Миниатюрные, азатем и микроэлектронные приборы, создаваемые в основном на кристаллическомкремнии, буквально смели электровакуумные лампы, позволив уменьшить в сотни итысячи раз размеры устройств. Достаточно вспомнить старые ЭВМ, занимавшиеогромные помещения, и их современный эквивалент ноутбук – компьютер,напоминающий маленький атташе-кейс, или «дипломат», как его называют в России.
Один из выводов кандидатской диссертациигласил, что p–n-переход в гомогенном по составу полупроводнике (гомоструктура)не может обеспечить оптимальные параметры многих приборов. Стало ясно, чтодальнейший прогресс связан с созданием p–n-перехода на границе разныхпо химическому составу полупроводников (гетероструктурах).
Лазеры нагомопереходах были неэффективны из-за высоких оптических и электрическихпотерь. Пороговые токи были очень высоки, а генерация осуществлялась только принизких температурах.
Вскоре былисформулированы общие принципы управления электронными и световыми потоками вгетероструктурах.
Первоначальнотеория развивалась существенно быстрее, чем практическая реализация устройств.
В то времясуществовал всеобщий скептицизм по поводу создания «идеального» гетероперехода,тем более с теоретически предсказываемыми инжекционными свойствами.
Итак,реализация гетероперехода открывала возможность создания более эффективныхприборов для электроники и уменьшения размеров устройств буквально до атомныхмасштабов.
Максимальный эффект ожидался прииспользовании гетеропереходов между полупроводником, служащим активной областьюприбора, и более широкозонным полупроводником. В качестве наиболееперспективных в то время рассматривались системы GaP–GaAs и AlAs–GaAs. Для «совместимости»эти материалы в первую очередь должны были удовлетворять самому важномуусловию: иметь близкие значения постоянной кристаллической решётки.
Дело в том, что многочисленные попыткиреализовать гетеропереход были безуспешными: ведь не только размерыэлементарных ячеек кристаллических решёток полупроводников, составляющихпереход, должны практически совпадать, но и их тепловые, электрические,кристаллохимические свойства должны быть близкими, как и их кристаллические изонные структуры.
Такую гетеропару найти не удавалось. Ивот за это, казалось бы, безнадёжное дело взялся Ж.И. Алфёров. Нужныйгетеропереход, как оказалось, можно было формировать путём эпитаксиальноговыращивания, когда один монокристалл (вернее, его монокристаллическая плёнка)наращивался на поверхности другого монористалла буквально послойно – одинмонокристаллический слой за другим. К нашему времени разработано много методовтакого выращивания. Это и есть те самые высокие технологии, которыеобеспечивают не только процветание электронных фирм, но и безбедноесуществование целых стран.
Первоначально была предпринята попыткасоздать двойную гетероструктуру GaP0,15As0,85–GaAs. И онабыла выращена методом газофазной эпитаксии, а на ней был сформирован лазер.Однако из-за небольшого несоответствия постоянных решётки он, как и лазеры нагомопереходах, мог работать только при температуре жидкого азота. Ж.И. Алфёровустало ясно, что таким путём реализовать потенциальные преимущества двойныхгетероструктур не удастся.
Было обнаружено что неустойчивый сам посебе арсенид алюминия абсолютно устойчив в тройном соединении AlGaAs, такназываемом твёрдом растворе. Свидетельством этому были давновыращенные путём охлаждения из расплава кристаллы этого твёрдого раствора,хранившиеся у одного из ученых в столе уже несколько лет. Примерно так в 1967 г.была найдена ставшая теперь классической в мире микроэлектроники гетеропараGaAs–AlGaAs.
Изучениефазовых диаграмм, кинетики роста в этой системе, а также созданиемодифицированного метода жидкофазной эпитаксии, пригодного для выращиваниягетероструктур, вскоре привели к созданию гетероструктуры, согласованной попараметру кристаллической решётки.
С этого момента реализация главныхпреимуществ гетероструктур пошла стремительно. Прежде всего экспериментально былиподтверждены уникальные инжекционные свойства широкозонных эмиттеров и эффектсуперинжекции, продемонстрировано стимулированное излучение в двойныхгетероструктурах, установлена зонная структура гетероперехода AlxGa1–xAs,тщательно изучены люминесцентные свойства и диффузия носителей в плавномгетеропереходе, а также чрезвычайно интересные особенности протекания токачерез гетеропереход, например, диагональные туннельно-рекомбинационные переходынепосредственно между дырками из узкозонной и электронами из широкозоннойсоставляющих гетероперехода.
Основные преимуществагетероструктур были реализованы
– в низкопороговых лазерах на двойныхгетероструктурах, работающих при комнатной температуре;
– в высокоэффективных светодиодах наодинарной и двойной гетероструктурах;
– в солнечных элементах нагетероструктурах;
– в биполярных транзисторах нагетероструктурах;
– в тиристорных p–n–p–n гетероструктурах.
Если возможность управления типомпроводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идеяинжекции неравновесных носителей заряда были теми семенами, из которых вырослаполупроводниковая электроника, то гетероструктуры давали возможность решитьзначительно более общую проблему управления фундаментальными параметрамиполупроводниковых кристаллов и приборов, такими, как ширина запрещённой зоны,эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель преломления,электронный энергетический спектр и т.д.
Идея полупроводниковых лазеров на p–n-переходе,экспериментальное наблюдение эффективной излучательной рекомбинации вp–n-структурена основе GaAs с возможностью стимулированного излучения и создание лазеров исветоизлучающих диодов на p–n-переходах были теми зёрнами, из которыхначала расти полупроводниковая оптоэлектроника.
Одним из первых опытов успешногоприменения гетероструктур в нашей стране стало использование солнечных батарейв космических исследованиях. Солнечные батареи на основе гетероструктур былисозданы Ж.И. Алфёровым и сотрудниками ещё в 1970 г. Технология была передана в НПО «Квант», и солнечные элементы на основе GaAlAsустанавливались на многих отечественных спутниках. Когда американцыопубликовали свои первые работы, советские солнечные батареи уже летали наспутниках. Было развёрнуто их промышленное производство, а их 15-летняяэксплуатация на станции «Мир» блестяще доказала преимущества этих структур вкосмосе. И хотя прогноз резкого снижения стоимости одного ватта электрическоймощности на основе полупроводниковых солнечных батарей пока не оправдался, вкосмосе самым эффективным источником энергии доныне безусловно являютсясолнечные батареи на гетероструктуpax соединений AIIIBV.
Оптоэлектроника
Оптоэлектроника– это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействиямежду электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества(преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронныхприборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых этиэффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображенияинформации.
Техническуюоснову оптоэлектроники определяют конструктивно – технологические концепциисовременной электроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитиетвердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций;ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповойобработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонкихпленок, диффузия, ионная имплантация, плазмохимия и др.
Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, вкоторых контактируют (внутри единого монокристалла) полупроводники с различнымизначениями ширины запрещеной зоны.
Инжекционныйлазер
Инжекционнныйлазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом(поэтому часто как равноправный используется термин «лазерный диод»), в которомгенерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда припротекании прямого тока через p-n-переход.
Разновидностиинжекционных лазеров. Рассмотренные теоретические положения предопределяют путисовершенствования простейшей структуры лазера. Обследованы и реализованыварианты расположения слоев по толщине кристалла. В гомогенном полупроводникеp-n-переход как средство электронного ограничения весьма несовершенен: привысоких уровнях накачки происходит бесполезная инжекция электронов влево (из-западения коэффициента инжекции), ограничение справа достигается лишьестественным убыванием концентрации введенных дырок
Все этинесовершенства, проявляющиеся в конечном счете в высоком значении плотностипорогового тока, предопределили бесперспективность лазеров на однородныхполупроводниках.
Широкоепромышленное распространение получили только гетеролазеры, общими особенностямикоторых являются односторонняя инжекция, четко выраженный волноводный эффект,возможность суперинжекции.
Поистинеклассической стала двойная (двусторонняя) гетероструктура (ДГС), в которойсверхтонкая активная область «зажата» между двумя гетерограницами (рис. 4,б): именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительныевыходные мощности. Четырех и пятислойная структуры, являющиесяусовершенствованной ДГС
Особенностиинжекционных лазеров.
Инжекционныелазеры имеют ряд достоинств, выделяющих их среди излучателей и предопределяющихдоминирующую роль в оптоэлектронике.
1. Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатораблизка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения – к 1 мкм2 (объем активнойобласти может достигать 10–12см3). Это возможно потому, что в полупроводниковыхлазерах индуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, ас переходами зона – зона, поэтому и усиление в них наибольшее (gd103… 104 см-1).
2. Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение,приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу. Это обусловлено тем,что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери – всяэнергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов.
3. Удобство управления: низкие напряжения и токи возбуждения,совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощностиизлучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и вимпульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения(в пикосекундном диапазоне).
4. Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемаявыбором или синтезом прямозонного полупроводника с
необходимой шириной запрещенной зоны; возможность одномодового режима.
5. Использование твердотельной микроэлектронной групповой технологии.Отсюда высокая воспроизводимость параметров, пригодность для массовогопроизводства, низкая стоимость, долговечность.
6. Совместимость с основным элементом микроэлектроники – транзистором(по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открываетпринципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей.
Инжекционным лазерам присущи и определенные недостатки, кпринципиальным можно отнести следующие:
· невысокая когерентность излучения (в сравнении, например, сгазовыми лазерами)
· значительная ширина спектральной линии, большая угловаярасходимость, эллиптический астигматизм;
· относительно малая генерируемая мощность (некоторыеоптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большоймощности);
· существенность таких негативных явлений, как временная деградация(в особенности для коротковолновых лазеров), резкое уменьшение мощностиизлучения при повышении температуры и воздействии радиации.
Светодиоды
Светодиодпредставляет собой полупроводниковый диод с p-n – переходом, протекание токачерез который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиодаоснована на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда,инжектируемых в активную область (базу) светодиода.
Как и вслучае лазеров наилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды наоснове гетероструктур, хотя специфика генерации некогерентного излученияпозволяет широко использовать и светодиоды на основе однородныхполупроводников.
Искусственныеквантовые ящики
Искусственныеквантовые ящики и сверхрешетки находят все большее применение при разработкеизлучателей. По мере уменьшения толщин активных зон лазеров и светодиодовстановятся существенными квантовые размерные эффекты, т.е. явления, в которыхмалые геометрические размеры рассматриваемых областей обязывают учитыватьквантовую природу свободных носителей заряда.
Еслитолщину активной области двойной гетероструктуры уменьшить до WdlБ (длина волныде Бройля), то свободные электроны в этой области начнут вести себя подобнодвухмерному газу. Это значит, что в любой конкретный момент времени могут бытьуказаны лишь две координаты электрона (y и z на рис. 6, б), тогда как покоординате x он «размазан» по всей толщине W. Такая сверхтонкая ДГСпредставляет собой квантовую яму (или квантовый ящик), удерживающую двухмерныйэлектронный газ. Последовательное чередование большого числа таких ям образуетсверхрешетку (рис. 6, в). В общем случае отдельные ямы в сверхрешетке необязательно должны быть одинаковыми по глубине и ширине
Квантовыеящики и сверхрешетки изготавливают путем последовательного эпитаксиальноговыращивания сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводниковых соединенийразного состава.
Размерноеквантование порождает два основных физических эффекта:
· изменение зонной диаграммы, проявляющееся в появлении новыхразрешенных энергетических состояний для электронов; тем самым принципиальноможет быть сформирована зонная структура любого вида;
· изменение кинетики электронов, проявляющееся в их пробеге междугетерограницами без соударений (и без потерь энергии) с примесными атомами, – таковосвойство волны Де Бройля, распространяющейся в среде с периодическиизменяющимся потенциалом; подвижность электронов оказывается такой же, как вчистом полупроводнике.
Технологическаяособенность сверхрешеток состоит в том, что вследствие малости толщин соседнихслоев становится существенным выравнивающее действие механических напряжений:практически сверхрешетка, несмотря на различие состава слоев, имеет одно общееусредненное значение кристаллографической постоянной. Можно предположить, чтодля излучателей это обстоятельство окажется более важным, чем физическиефакторы.
Изфизических и технологических особенностей сверхрешеток вытекает ряд важных длясоздания излучателей следствий, часть которых уже получила экспериментальноеподтверждение: это получение более высоких, чем ранее, коэффициентов усиленияволны в активной среде и, как следствие, уменьшение длины резонатора лазера илиснижение порогового тока; достижение высокой подвижности в сильно легированномматериале и на этой основе повышение быстродействия как самих излучателей, таки схем электронного обрамления; возможность «перевода» непрямозонных полупроводниковв прямозонные, получение прямозонных структур с любой шириной запрещенной зоны,а также лазеров (и светодиодов) с перестраиваемой длиной волны, продвижение всине-зеленую и УФ-область спектра; совмещение материалов с сильным структурнымрассогласованием; неизбежность открытия новых полезных явлений при дальнейшемисследовании сверхрешеток.
Такимобразом, развитие физики и становление техники приборов с искусственнымиквантовыми ямами и сверхрешетками приведет к качественному скачку в областиизлучателей и в оптоэлектронике в целом.
Приемники
Фотодиод
Фотодиод – это фотоприемник, представляющий собой полупроводниковый диод,сконструированный и оптимизированный так, что его активная структураоказывается способной эффективно воспринимать оптичское излучение. Практическидля этого корпус фотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которымрасполагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла.Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих элементов(непрозрачных металлических электродов), сводятся до минимума толщинывспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, нафоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия ит.п.
Гетерофотодиодыпредставляют собой одну из наиболее бурно развивающихся разновидностейоптоэлектронных фотоприемников. В конструкции любого гетерофотодиода выделяютсяпрежде всего две области: «широкозонное окно» и активный фоточувствительныйслой. Широкозонное окно без потерь пропускает излучение к активной области и вто 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 ив кремниевой p-i-n-структуре. Важное отличие заключается в том, что выборомподходящего полупроводникового соединения фоточувствительного слоя удаетсяобеспечить полное поглощение излучения (в том числе и в ИК-области) при толщинеэтого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокойфоточувствительности при малых питающих напряжениях.
Важнейшимдостоинством гетерофотодиодов является их физическая и технологическаясовместимость с устройствами интегральной оптики. Несомненно полезным можетоказаться то, что они могут быть изготовлены на одном кристалле с излучателем имикросхемой, т.е. открывается возможность создания универсальных монолитныхоптоэлектронных элементов дуплексной связи. Гетерофотодиоды значительно сложнеев изготовлении, чем кремниевые, однако имеющиеся технологические трудностипостепенно преодолеваются. Основные материалы гетерофотодиодов – GaAlAs дляl~0,85 мкм и InGaAsP, InGaAs для l=1,3… 1,55 мкм. Гетерофотодиоды работают и врежиме лавинного умножения, причем благодаря малой толщине активной областирабочее напряжение может составлять десятки вольт. Препятствием на пути ихразвития является то обстоятельство, что практически для всех соединений А3В5коэффициенты размножения электронов и дырок приблизительно одинаковы (a-da+) этоведет к повышенному уровню шумов. Исключение составляет GaSb, однако этотматериал пока все еще характеризуется очень низким качеством. Поэтому широкоеразвитие лавинных гетерофотодиодов маловероятно, их альтернативой являютсяинтегрированные структуры, в которых на одном кристалле полупроводника A3B5объединены гетерофотодиод и МДП – транзистор.
Фототранзисторы
Фототранзисторысоставляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников,наиболее характерными чертами которого являются наличие механизмов встроенногоусиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость,обусловленная наличием третьего – управляющего – электрода. В то же времяфототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область ихпримернения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями.Они изготавливаются практически только на кремнии.
Заключение
Итак, каквы уже успели убедиться, применение гетеропереходов в оптоэлектронике помогаетразрешить многие проблемы. Так, в частности, найдено решение задачи созданияприборов с прямозонной энергетической диаграммой, что не удавалось реализоватьна гомогенных структурах. Прозрачность широкозонного эмиттера длярекомбинационного излучения базы гетерогенной структуры существенно облегчаетзадачу констуирования излучательных приборов. Также гетероструктурыспособствуют всё большей интеграции оптоэлектронных устройств. Реализациясверхрешеток позволит создавать элементную базу с произвольными зоннымидиаграммами, т.е. гетероструктуры являются перспективным направлениемисследования. Технологические трудности изготовления гетеропереходов, как намкажется, явление временное и в недалеком будущем преодолимое. Применительно кнашей специальности (физика и техника оптической связи) гетероструктурыявляются хорошим подспорьем в конструировании систем волоконно-оптическойсвязи. Инжекционные лазеры, например, с их способностью генерировать пучоксвета, (являющийся переносчиком информации в волоконно-оптических линиях связи)с наперед заданным направлением распространения – решение проблемыминиатюризации основных элементов систем волоконно-оптической связи.
Конечно,существуют еще много неразрешенных проблем, но, как нам кажется, будущееоптоэлектроники неразрывно связано с гетероструктурами.
Список использованной литературы
1.Физический энциклопедический словарь. – М.: Сов. Энциклопедия,1983.
2.Смит Р. Полупроводники. М. Мир, 1982.
3.Алферов Ж.И. // Физика сегодня и завтра. Ред. Тучкевич В.М.Л.,1973.