ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Излучатели на основе гетероструктур

Наилучшие параметры имеют диоды, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеро­проходов) [23]. На рис. 2.17, а изображены энергетические диаграммы излучающей гетеро­структуры ОаА1АБ—ваАв в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии АЕ = Ез1-Ез2■ Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителя­ми заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 2.17, а — электронами). Поэто­му при приложении прямого напряжения имеет место односторонняя инжекция — только электронов из широкого слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содер­жащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой.

Наряду с одинарной в излучающих диодах используется двойная гетероструктура, в ко­торой имеется дополнительно запирающий широкозонный р3-слой того же, что и база типа проводимости (рис. 2.17, б). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер пре­пятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны).

Избыточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторон­няя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию ин­жектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при умень­шении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначитель­
но. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход состав­ляет (3...4) %, а время переключения (40...80) не; двойные гетероструктуры имеют пример­но такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения (20.. .30) не.

Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирова­ния эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) перехо­де. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока, и появляется возмож­ность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжек - ции р-л-перехода.

Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозон­ной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной ха­рактеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 2.18). Поэтому излучение выво­дится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явле­ние многократного отражения («многопроходный эффект»). Излучение, претерпевающее на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись от различных граней кристалла, в конце концов падает на внешнюю границу под таким углом, который дает ему возможность выйти наружу. Как видим, многопроход­ный эффект полезен только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике ма­ло. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолю­минесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетеропе­рехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпаде­ние параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие посто­янных кристаллических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не вы­полняются, высокая концентрация дефектов в области гетеропрохода практически сводит к нулю все его преимущества.