Идея полупроводниковых лазеров на p–n-переходе, экспериментальное наблюдение эффективной излучательной рекомбинации в p–n-структуре на основе GaAs с возможностью стимулированного излучения и создание лазеров и светоизлучающих диодов на p–n-переходах были теми зёрнами, из которых начала расти полупроводниковая оптоэлектроника.
Одним из первых опытов успешного применения гетероструктур в нашей стране стало использование солнечных батарей в космических исследованиях. Солнечные батареи на основе гетероструктур были созданы Ж.И. Алфёровым и сотрудниками ещё в 1970 г. Технология была передана в НПО «Квант», и солнечные элементы на основе GaAlAs устанавливались на многих отечественных спутниках. Когда американцы опубликовали свои первые работы, советские солнечные батареи уже летали на спутниках. Было развёрнуто их промышленное производство, а их 15-летняя эксплуатация на станции «Мир» блестяще доказала преимущества этих структур в космосе. И хотя прогноз резкого снижения стоимости одного ватта электрической мощности на основе полупроводниковых солнечных батарей пока не оправдался, в космосе самым эффективным источником энергии доныне безусловно являются солнечные батареи на гетероструктуpax соединений AIIIBV.
Оптоэлектроника
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.
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
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.
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
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 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.
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.
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.
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
Квантовые ящики и сверхрешетки изготавливают путем последовательного эпитаксиального выращивания сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводниковых соединений разного состава.
Размерное квантование порождает два основных физических эффекта:
· изменение зонной диаграммы, проявляющееся в появлении новых разрешенных энергетических состояний для электронов; 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.