Реферат: Применение гетеропереходов в оптоэлектронике

НижегородскийГосударственный Технический Университет

Реферат по курсу

«Электронные твердотельные приборы»

тема: «Применение гетеропереходов воптоэлектронике»

Выполнили студенты группы 94-ФОС

Куликов А.В.

Макаров Д.М.

Проверил преподаватель:

Штернов A.A.

<st1:metricconverter ProductID=«1996 г» w:st=«on»>1996 г</st1:metricconverter>.

Содержание.

Введение.....................................................

Гетеропереход.Физические основы...........

Применениегетеропереходов.

Излучатели.

Инжекционныйлазер...................

Светоизлучательныйдиод............

Исскуственные квантовые

ящики................

Приемники.

Фотодиод......................................

Фототранзистор............................

Заключение.................................................

Введение.

Оптоэлектроника — это разделэлектроники, связанный главным образом сизучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающийпроблемы создания оптоэлектронныхприборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи,хранения и отображения информации.

Техническую основуоптоэлектроники определяют конструктивно- технологические концепции современнойэлектроники: 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, ионнаяимплантация, плазмохимия и др.

Исключительно важны иперспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют(внутри единого монокристалла)полупроводники с различными значениями ширины запрещеной зоны.

Гетеропереход.Физические основы.

Если n- и p-область переходаизготовлены из различных полупроводников, то такой переход называетсягетеропереходом. Отличие

от обычного перехода более тонко в том случае, когда полупроводники взаиморастворимы, а переходплавный. 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 кгетеропереходам является возможность получить высокоэффективную инжекциюнеосновных носителей в узкозонный полупроводник, т.е. суперинжекция,заключающаяся в том, что концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядковпревысить их равновесное значение в змиттерной области(см. рис. 1). Это означает, что стремление получить g=1 в широкоминтервале изменения прямого тока не накладывает каких-либо ограничений на вид и концентрацию легирующей примесив эмиттерной и базовой областях — у разработчика оптоэлектронных приборов появляется лишняя «степень свободы».

Рис.1.

Это свойство гетеропереходовлегко понять из рассмотрения рис.2. Когда прямое смещение выравниваетвалентную зону, дырки нжектируются в n-область. Инжекции же электронов изn-области в p-область препятствует барьер DE = Еg1 — Еg2 (см. рис. 2).

а) б)

Рис.2. Идеальная зонная схема для гетероперехода.

а) — в условияхравновесия; б) — при прямом смещении V

Очевидно, что в этомслучае излучательная рекомбинация будет происходить в узкозонной области. Так,в гетеропереходах GaAs — GaSb полоса инжекционной люминесценции находится при энергии 0,7 эВ, что равноширине запрещенной зоны GaSb. Оптические свойства эмиттера и базы гетероструктуры различны и могут вшироких пределах изменяться независимо друг от друга. Отсюда, в частности, следует, что широкозонный эмиттер представляет собой «окно» для болеедлинноволнового излучения, генерируемого (или поглощаемого)узкозонной базой. Кроме того, различие взначениях Еg ведет и к различию показателей преломления n, что порождает волноводныйэффект, т.е. концентрацию оптическойэнергии в слое с большим n при распространении излучения вдоль слоя.

На практикегетеропереходам присущи недостатки, связанные с границей раздела: уровень Ферми оказывается фиксированнымна границе из-за поверхностных состояний. Поэтому вместо ровногохода для одной из зон обычно имеет место барьер типа Шоттки, как показано нарис. 3. Поскольку барьер Шоттки обладает выпрямляющим действием, его рисутствиестановится очевидным при рассмотрении n-n-гетеропереходов — т.е. переходовмежду двумя различными полупроводникамиn-типа .

Рис. 3

Особый интерес представляютгетеропереходы между CdS и каким-либо более широкозонным полупроводникомp-типа. Кристаллы CdS всегда имеют n-тип проводимости, и р-n-переходы вэтом материале до сих пор неизготовлены, несмотря на более чем двухдесятилетние усилия многихисследовательских групп. Соединение CdS обладает широкой прямойзапрещенной зоной (Еg d 2,5 эВ) и может излучать зелено-голубой свет.

Были предприняты попыткиизготовить гетеропереходы между CdS и SiC. SiC — широкозонный полупроводник,которому, по желанию, с помощью соответствующего легирования можно придатьn- или p-тип проводимости. В зависимости от модификации ширина запрещенной зоныSiC варьируетсн от 2,7 до 3,3 эВ. Модификация определяет характер периодичностив расположении атомных связей. CdS n-типа был выращен на SiC р-типа, с тем чтобы дырки при прямом смещении могли инжектироваться в CdS исоздавать видимое излучение. Было обнаружено, что спектр излучениясдвигается с током и цвет люминесценцииплавно 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 сp-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.

Разновидностиинжекционных лазеров. Рассмотренныетеоретические положения предопределяют пути совершенствования простейшейструктуры лазера. Обследованы и реализованы варианты расположения слоев потолщине кристалла. В гомогенномполупроводнике p-n-переход как средство электронного ограничения весьманесовершенен: 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 определенныи меняются от режима накачки. Все эти несовершенства, проявляющиеся в конечномсчете в высоком значении плотности порогового тока, предопределилибесперспективность лазеров на однородных полупроводниках.

Широкое промышленноераспространение получили только гетеролазеры, общими особенностями которыхявляются односторонняя инжекция, четко выраженный волноводныйэффект, возможность суперинжекции.

В одностороннейгетероструктуре (ОГС) электронное ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере нагомогенном полупроводнике (рис. 4,a); преимущество ОГС перед другими гетероструктурами состоит в простоте технологии.

Поистине классической сталадвойная (двусторонняя) гетероструктура(ДГС), в которой сверхтонкая активная область «зажата» междудвумя гетерограницами (рис. 4, б): именно она позволяет получать малые пороговые плотноститока и значительные выходные мощности. Четырех и пятислойнаяструктуры, являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют при очень тонкой области накачки W иметь толщину волноводаWопт, оптимальную с точки зрения модовыхсоотношений. В пятислойных GaAlAs — структурах удается получать Jпор=102 A/см2 и

Рвых d 0,1Вт. Отметим, что технологические соображения требуют создания ряда переходных слоев, поэтому реальные лазерные структуры значительно сложнее, чем физические модели.

а) б)

Рис. 4. Энергетические диаграммы активных структур инжекционныхлазеров и распределения инжектированных носителей заряда (заштрихованныеобласти): а) односторонняя гетероструктура (ОГС),

б)двойная гетероструктура (ДГС).

Особенности инжекционных лазеров. Инжекционные лазеры имеют ряд достоинств, выделяющих их среди излучателей и предопределяющих доминирующую роль воптоэлектронике.

1. Микроминиатюрность:теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь егопоперечного сечения - к 1 мкм2 (объем активной области может достигать 10-12см3). Этовозможно потому, что в полупроводниковых лазерах индуцированные переходысвязаны не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона - зона, поэтому и усиление в них наибольшее (gd103…104 см-1).

2. Высокий КПДпреобразования энергии накачки в излучение, приближающийся улучших образцов к теоретическому пределу. Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключитьнежелательные потери — вся энергия электрического тока переходит в энергиювозбужденных электронов.

3. Удобство управления:низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральнымимикросхемами; возможность изменениямощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом оченьвысокой 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 групповойтехнологии. Отсюда высокая воспроизводимость параметров, пригодность для массового производства,низкая стоимость, долговечность.

6. Совместимостьс основным элементом микроэлектроники — транзистором (по типу используемыхматериалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальнуювозможность создания интегрированных лазерных излучателей.

Инжекционным лазерам присущии определенные недостатки, к принципиальным можно отнести следующие:

невысокая когерентностьизлучения (в сравнении, например, сгазовыми лазерами) - значительная ширина спектральной линии, большая угловая расходимость,эллиптический астигматизм;

относительно малая генерируемаямощность (некоторые оптоэлектронные устройства, напримерголографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности);

существенность такихнегативных явлений, как временная деградация (в особенности для коротковолновых лазеров), резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры ивоздействии 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 люминесценцииизбыточных 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 изоэлектроннымицентрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках.

Как и в случае лазеровнаилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды на основе гетероструктур, хотя специфика генерации некогерентного излучения позволяет широко использовать и светодиоды на основе однородныхполупроводников.

Переходя к гетероструктурам,отметим, что введение в них дополнительного переходного слоя с плавно изменяющимся значением Еg,обусловлено технологическими задачами: благодаря постепенному изменению состава меньшесказываются напряжения из-за несогласованности кристаллографических постоянных. Укажем также, что p-области представляют собой многослойные образования, причем каждый из слоевхарактеризуется не только своим значением запрещенной зоны, но также видом иконцентрацией легирующей примеси.Структуры рис.5 представляют собой ОГС и ДГС.

а) б)

Рис.5. Схемы расположения p- и n- слоев и изменения ширинызапрещенной зоны по сечению кристалла для : а) ОГС; б) ДГС.

W — толщина активной области, в которой идет эффективная излучательнаярекомбинация.

Если в ДГС широкозонные «обкладки» активной области сделать достаточно толстыми (или хотя бы однуиз них), то подложку можно удалить(стравить), и тогда лучи света, распространяющиеся вправо, не будут поглощены, а после отраженияот нижней границы кристалла вновь направятся к левой поверхности и при попадании в апертурный угол выйдут наружу. Процесс отражения от границ вглубь кристалла можетповторяться многократно до тех пор, пока световой луч не придет под нужным углом к левой поверхности. При этом нежелательного поглощения излученияв широкозонных областях не происходит. Втаких многопроходных структурах с удаленной подложкой коэффициент выводаизлучения может достигать десятков процентов.

Искусственные квантовые ящики

Искусственные квантовыеящики и сверхрешетки находят все большее применение при разработкеизлучателей. По мере уменьшения толщин активных зон лазеров исветодиодов 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 деБройля), то свободные электроны в этой области начнут вести себя подобнодвухмерному газу. Это значит, что в любой конкретный момент времени могутбыть указаны лишь две координаты электрона (y и zна рис. 6, б), тогда как по координате x он «размазан» по всей толщине W.Такая сверхтонкая ДГС представляет собойквантовую яму (или квантовый ящик), удерживающую двухмерныйэлектронный газ. Последовательное чередование большого числа таких ям образует сверхрешетку (рис.6, в). В общем случае отдельные ямы всверхрешетке 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 видеволнового пакета де Бройля;

б) электрон (волня де Бройля) 1 вдвумерной квантовой яме 2;

в) чередование слоеварсенид-фосвида галлия с меньшим (A) и большим (B) содержанием мышьяка всверхрешетке.

г) энергетическая диаграмма всверхрешетке ( 1 — энергетические зоны, обусловленные эффектом размерногоквантования).

Квантовые ящики и сверхрешеткиизготавливают путем последовательногоэпитаксиального выращивания сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводниковых соединений разного состава. Например, схема рис. 6, в, г реализована водном из приборов при молекулярно-лучевой эпитаксии чередующихся слоев арсенид-фосфида галлия с большим и меньшим содержаниеммышьяка; при этом число слоев 100...200, а ширина запрещенной зоны скачкообразно изменяется от

Еg1 = 1,4 доЕg2 = 1,9 эВ и обратно.

Размерное квантованиепорождает 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 волныде Бройля, распространяющейся в среде с периодическиизменяющимся потенциалом; подвижность электронов оказывается такой же, как вчистом полупроводнике.

Технологическая особенностьсверхрешеток состоит в том, чтовследствие малости толщин соседних слоев становится существенным выравнивающее действиемеханических напряжений: практическисверхрешетка, несмотря на различие состава слоев, имеет одно общееусредненное значение кристаллографической постоянной. Можно предположить, что дляизлучателей это обстоятельство окажется более важным, чем физическиефакторы.

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 сильнолегированном материале и на этой основе повышение быстродействиякак 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-областьспектра; совмещение материалов с сильным структурным рассогласованием; неизбежность открытия новых полезных явлений при дальнейшемисследовании сверхрешеток.

Таким образом, развитие физикии становление техники приборов сискусственными квантовыми ямами и сверхрешетками приведет к качественному скачкув области излучателей и в оптоэлектронике в целом.

Приемники

Фотодиод

Фотодиод — это фотоприемник,представляющий собой полупроводниковый диод, сконструированныйи оптимизированный так, что его активная структура оказывается способной эффективно восприниматьоптичское излучение. Практически для этого корпус фотодиода имеет специальное прозрачное окно,за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводниковогокристалла. Принимаются также меры поустранению с этой площадки затеняющих элементов (непрозрачных металлических электродов), сводятся до минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющихфотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальныеантиотражающие 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 разновидностейоптоэлектронных фотоприемников. В конструкции любого гетерофотодиода выделяютсяпрежде всего две области: «широкозонное окно» и активныйфоточувствительный слой. Широкозонное окно без потерь пропускает излучение кактивной области и в то же время является контактным слоем с малым последовательнымсопротивлением. Процессы в активной области — поглощение излучения, накопление(собирание) генерируемых носителей заряда — в значительной степени протекаюттак же, как и в кремниевой p-i-n-структуре. Важное отличие заключается в том,что выбором подходящего полупроводникового соединения фоточувствительного слояудается обеспечить полное поглощение излучения (в том числе и в ИК-области) притолщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия ивысокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что дляSi-p-i-n-структур в длинноволновой области принципиально недостижимо: дляполного поглощения излучения с l~1,06 мкм толщина i-областидолжна составлять около 3ОО мкм, а рабочее напряжение — сотни вольт. Такимобразом, гетерофотодиоды в некотором роде эквивалент кремниевых р-i-n-диодов вдлинноволновой области, хотя их значимость этим не исчерпывается.

Свобода выбора материалаобусловливает 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 температурногодиапазона, повышения устойчивости к воздействию проникающей радиации.

Важнейшим достоинствомгетерофотодиодов является их физическая и технологическая совместимость сустройствами интегральной оптики.Несомненно полезным может оказаться то, что они могут быть изготовлены на одном кристалле с излучателем и микросхемой, т. е. открывается возможностьсоздания универсальных монолитных оптоэлектронных элементовдуплексной связи. Гетерофотодиоды значительно сложнее в изготовлении, чем кремниевые, однако имеющиеся технологические трудностипостепенно преодолеваются. Основныематериалы гетерофотодиодов — GaAlAs для l~0,85 мкм и InGaAsP, InGaAs для l=1,3…1,55 мкм. Гетерофотодиоды работают и в режиме лавинного умножения, причемблагодаря малой толщине активной области рабочее напряжение можетсоставлять 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 широкоеразвитие 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-ЛФДпредставляется возможным благодаря развитию техники сверхрешеток. Анализ показывает, что в сверхрешетке можно доводить отношение a+/a-- до 20 и более.

Фототранзисторы

Фототранзисторы составляютвесьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболеехарактерными чертами которого являются наличие механизмов встроенного усиления(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.

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 достоинствагетероструктур: широкозонные эмиттерное и коллекторное окна (что позволяет создавать конструкции с прямой иобратной — через толстый коллекторный слой - засветкой); тонкая фотоактивнаябазовая область, полностью поглощающая воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующих просачиванию основных носителей базы вколлектор и накоплению их в нем. Все этоведет к тому, что гетерофототранзисторы могут иметь не только высокую чувствительность в любомзаданном участке спектра, но и очень высокое быстродействие (в нано- и субнаносекундном диапазоне). Однакогетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (таккак вывод от узкой базовой областисделать затруднительно), что лишает их схемотехнической гибкости,присущей транзисторам. По мере усовершенствования ипромышленного 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 воптоэлектронике помогает разрешить многие проблемы. Так, в частности, найдено решение задачисоздания приборов с прямозонной энергетической диаграммой, что не удавалосьреализовать на 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 трудностиизготовления гетеропереходов, как нам кажется, явление временное и в недалеком будущем преодолимое. Применительно к нашей специальности (физика итехника оптической связи) гетероструктуры являются хорошим подспорьем вконструировании систем волоконно-оптической связи. Инжекционные лазеры,например, с их способностью генерировать пучок света, (являющийся переносчикоминформации в волоконно-оптических линиях связи) с наперед заданным направлениемраспространения — решение проблемы миниатюризации основных элементов системволоконно-оптической связи.

Конечно, существуют ещемного неразрешенных проблем, но, как нам кажется, будущее оптоэлектроникинеразрывно связано с гетероструктурами.

Литература:

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Термоэмиссионный преобразователи энергии

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Шумы - электроника

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Теория Попова

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Емкостные преобразователи

29 Августа 2013