Гетеропереходы

Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий Механики и оптики

Реферат

на тему: «Гетеропереходы»

Выполнил:

Патяев А.Ю.

Преподаватель:

Комолов В.Л.

2007

Энергетическая схема, основные отличия от гомоперехода (p - n перехода). Гетеролазер. Структурная схема. Преимущества гетеролазера перед инжекционными ПП лазерами

Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe - nGaAs.

Отличие гетеропереходов от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, pSi - nSi. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки.

С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP.

На рисунке приведён пример зонной диаграммы гетероперехода.

Рисунок 1 - Зонная диаграмма гетероперехода

Вертикальная линия - металлургическая граница. По обе стороны от границы различные материалы.

Характерной особенностью зонной диаграммы является наличие скачков Ec и Ev на металлургической границе перехода. Пример дан для p-n перехода.

При другом выборе легирования компонентов возможен изгиб зон в разные стороны.

На приведенном рисунке уровень Ферми постоянен: ЕF = const. Система находится в равновесии. Ток не течет.

Фк - разность работ выхода (контактная разность потенциалов).

Благодаря ненулевой контактной разности потенциалов образуется обедненная зона.

Изменению концентрации р и n отвечает изгиб Еc и Еv:

На линии Ес и Еv образуются скачки ДЕс и ДЕv, отвечающие скачку концентрации носителей заряда.

W1 и W2 - ширина обедненных зон.

ч1 и ч2 - сродство к электрону (электронное сродство, electron affinity - способность присоединить электрон).

Сродство количественно измеряется энергией, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон с уровня Еc на вакуумный уровень.

Подчеркнем, что особенностью зонной диаграммы гетероперехода является наличие скачков Еc и Еv на границе гетероперехода.

Именно наличие скачков обеспечивает две принципиальные особенности гетероперехода:

1. Сверхинжекция.

2. Образование двумерного электронного газа.

Гетеролазер - полупроводниковый лазер на основе гетероструктур. Наилучшими параметрами обладают гетеролазеры на основе трехслойной (двойной) гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенным между 2 широкозонными полупроводниками.

Рисунок 2 - Полупроводниковый лазер на основе гетероструктур:

а - «-» (от источника питания);

б- «+» (от источника питания);

1,3 - (Al,Ga)As - широкозонный полупроводник;

2 - GaAs узкозонный полупроводник, толщина слоя d=1-1,5мкм.

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 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; 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: именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности.

Особенности инжекционных гетеролазеров.

Инжекционные гетеролазеры 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 мкм^2 (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 (gd10^3... 10^4 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 - 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. Совместимость с 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.