Полупроводниковые источники излучения

Современный мир невозможно представить себе без миниатюрных полупроводниковых приборов, в том числе без излучающих свет. Они повсюду – в устройствах для записи и считывания штрих-кодов и компакт-дисков, в волоконно-оптических линиях связи, в радиотелефонах и т.д. Это светоизлучающие и лазерные диоды на p–n-переходах в полупроводнике. Что такое p–n-переход? В принципе это два соединённых куска полупроводника с разным типом проводимости: в одном основными носителями заряда являются электроны (проводимость n-типа), в другом – квазичастицы, дырки (проводимость р-типа). Определённый тип проводимости достигается за счёт легирования, т.е. добавления в очень небольшом количестве соответственно донорных или акцепторных примесей, так что можно считать, что химический состав практически не изменяется. Если соединяют одинаковые по химическому составу куски (например, р-GaAs и n-GaAs), то получается гомопереход, если разные (например, р-GaAs и n-AlGaAs), получается гетеропереход. Если переходов два или больше, то говорят уже о гетероструктуре.

Первые полупроводниковые излучатели и представляли собой простой p–n-переход на GaAs. Если на такой переход подавали прямое напряжение смещения, то электроны и дырки начинали двигаться навстречу друг другу (инжектировались в область перехода) и рекомбинировали, испуская свет определённой длины волны (около 0,8 мкм). Однако работа таких лазеров была нестабильной, срок жизни малым, а непрерывный режим генерации удавалось осуществить только при низких температурах. Устранить эти недостатки удалось с помощью двойных гетероструктур, в которых активный слой арсенида галлия (GaAs, узкая запрещённая зона) размещался между р- и n-слоями арсенида галлия-алюминия (AlGaAs, широкая запрещённая зона). Эта гетеропара была выбрана из-за близких значений постоянной кристаллической решётки.

(Забегая вперёд, скажем, что cейчас в принципе возможен подбор в широком диапазоне решёточно-согласованных гетеропар. Каждое из наиболее востребованных соединений – InAs, GaAs, InP, GaP – имеет свою ширину запрещённой зоны и постоянную решётки. Если на графике, по одной из осей которого отложена постоянная решётки, а по другой – ширина запрещённой зоны, поставить четыре точки, соответствующие параметрам этих соединений, то они образуют четырёхугольник. Меняя состав четырёхкомпонентного раствора In_xGa_1–xAs_yP_1–y, где x и y – доли различных компонент, можно получать любые промежуточные значения постоянной решётки и ширины запрещённой зоны.)

Сейчас полупроводниковые светоизлучатели – это сложные многослойные структуры микронных размеров (рис. 1), которые выращиваются в дорогостоящих установках методами полупроводниковой технологии: жидкофазной, парофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии. Из специальных ячеек, в которых содержатся исходные компоненты, вещество в высоком вакууме (порядка 10^–9 Па) медленно осаждается на монокристаллическую полупроводниковую подложку. Слой толщиной 1 мкм выращивается несколько часов. Другие условия (температура подложки, давление потоков от источников с различными компонентами) подбираются так, чтобы происходил послойный рост атомных (!) слоёв и получались сложные монокристаллические гетероструктуры с заданными свойствами.

Поскольку носителям заряда (электронам и дыркам) энергетически выгодно находиться в узкозонном среднем активном слое, генерация излучения и происходит в этом слое (электронное ограничение), рис. 1, а, б. Далее: из-за различия показателей преломления активного слоя и граничащих с ним слоёв в такой структуре реализуется оптический волновод, удерживающий фотоны и обеспечивающий их направленное распространение (оптическое ограничение), рис. 1, б. Ещё один путь улучшения характеристик излучения – ограничение активной зоны по ширине (токовое ограничение). Наиболее известный способ токового ограничения состоит в формировании р-электрода в виде узкой полоски, для чего вся структура предварительно сверху, за исключением этой узкой полоски, закрывается оксидной изоляцией, cм. рис. 1, б. Типичная длина кристалла полупроводника 100–500 мкм, ширина полоски – до нескольких десятков микрометров. Свет в результате излучается через маленькую площадку.

Светодиоды уступают лазерам по выходной мощности, угловой расходимости излучения и спектральной ширине линии, но главным образом – по ватт-амперной характеристике: у диода выходная мощность плавно изменяется с увеличением тока инжекции, а у лазера зависимость носит явно выраженный пороговый характер (рис. 1, в). При токах ниже порогового значения почти вся подводимая к диоду энергия преобразуется в тепло, а при более сильных токах – в излучение. Так что, если вы хотите иметь дело со светоизлучающим прибором, а не с утюгом, позаботьтесь о снижении порогового тока. Если в первых образцах плотность порогового тока составляла килоамперы на квадратный сантиметр, то сейчас рекордное значение – 20 А/см².

       
Рис. 1. Полупроводниковые излучающие p–n-диоды с двойной гетерострукторой: a) светодиод (показано его сочленение с волоконным световодом, например, в линиях связи); б) полосковый лазер; в) их ватт-амперные характеристики

Малая излучаемая светодиодом мощность обусловлена тем, что в этом приборе отсутствует резонатор, фотоны хаотично распространяются в самых различных направлениях (спонтанное излучение) и наружу выходит только их небольшая часть. В лазерах же имеется резонатор, образуемый сколотыми гранями кристалла (резонатор Фабри–Перо). Спектр излучения лазера представляет собой серию полос, интервал между которыми обратно пропорционален длине резонатора. Эти полосы относятся к различным продольным модам (т.е. стоячим волнам разной длины волны, кратной длине резонатора). Чем меньше размер области излучения, тем оно монохроматичнее.

Узкозонный полупроводник, помещённый между широкозонными, представляет собой потенциальную яму. В соответствии с квантовой теорией энергия попавшей в эту яму частицы (например, электрона или дырки) квантуется, т.е. принимает набор дискретных значений в зависимости от ширины потенциальной ямы, высоты потенциального барьера и массы частицы. Это определяет и свойства излучения: длину волны, ширину линии, число линий. В обычной гетероструктуре активный слой имеет толщину 300–500 нм, и в нём наблюдаются эффекты, присущие объёмному кристаллу. Формируя узкую потенциальную яму (тонкий, в один-два десятка нанометров, слой узкозонного полупроводника, сопоставимый с дебройлевской длиной волны электрона или дырки), обеспечивают довольно узкую линию излучения и низкий пороговый ток. Действительно, число разрешённых состояний в активной области квантово-размерной структуры значительно меньше, чем в обычной, и при этом облегчается создание инверсной заселённости.

Были выращены структуры с ультратонкими (десятые доли нанометра) слоями (а это означает, кроме всего прочего, ещё более узкую линию излучения). Как это ни удивительно, следы присутствия такого слоя можно увидеть... невооружённым глазом: в спектре излучения доминирует линия квантовой ямы, и, скажем, вместо прежнего зелёного света структура светит жёлтым или красным (в зависимости от толщины). Созданы также квантовые проволоки (или квантовые нити – квазиодномерные структуры, в которых носители заряда могут свободно перемещаться только в одном направлении, вдоль нити) и, наконец, квантовые точки (или квантовые ящики – квазинуль-мерные структуры, т.е. трёхмерные потенциальные ямы, где квазичастицы локализованы во всех трёх направлениях). На фото, полученном с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показаны квантовые точки InAs в матрице GaAs. Характерные размеры такого объекта – можно назвать его точкой (с точки зрения человека) или ящиком (с точки зрения электрона) – те же несколько нанометров. Полная – во всех направлениях – локализация приводит к тому, что энергетический спектр подобной структуры по-настоящему дискретен, поэтому квантовые точки иногда называют искусственными атомами.

Если классические гетероструктуры открыли новые технологические горизонты, то использование  низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур даёт исследователям, технологам и инженерам практически неограниченную свободу действий. Можно сказать, что это своего рода «конструктор». Поскольку в наноструктурах существенную роль играют квантовомеханические эффекты, можно даже сказать, что это «квантовый конструктор». Путём подбора параметров гетероструктуры (материалов, толщины, последовательности расположения слоёв и т.д.) исследователи теперь в состоянии получать структуры с требуемыми свойствами. Например, просто меняя номинальную толщину слоя CdTe в матрице ZnTe с 0,3 до 1,2 нм, мы изменяем длину волны излучения (при температуре 5 K) с 530 до 620 нм, т.е «переезжаем» из зелёно-жёлтой области видимого спектра в красную.

К настоящему времени разработано много типов лазерных гетероструктур. К наиболее перспективным, помимо самого популярного полоскового лазера, относятся лазеры вертикального излучения с фазированной квантово-размерной структурой (рис. 2, а), лазеры с распределённой обратной связью, образуемой сформированными по волноводному слою (над средним активным слоем) неоднородностями (дифракционной решёткой), рис. 2, б, и лазеры с распределёнными брэгговскими отражателями (части дифракционной решётки по обе стороны активного слоя), рис. 2, в.

Рис. 2. Наиболее перспективные лазеры с двойной гетероструктурой: a) одномодовый вертикальный лазер с фазированными квантово-размерными структурами (мощность излучения 40 Вт при 40 каналах генерации); б) лазер с распределённой обратной связью; в) лазер с распределёнными брэгговскими отражателями: 1 – активный слой; 2 – подложка; 3 – волноводный слой

Более подробно о полупроводниковых светодиодах и лазерах, о технологии их роста, применении и перспективах развития можно посмотреть в интернете:

Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Презентация. http://dssp.petrsu.ru/presents/pr36_2.ppt

Алфёров Ж.И. Физика на пороге xxi века. http://rc.nsu.ru/text/metodics/alferov.html

Алфёров Ж.И. Двойные гетероструктуры: Концепция и применения в физике, электронике и технологии. www.ufn.ru/archive/russian/abstracts/abst2713.html

Леденцов Н.Н. Наноструктуры: как это делает природа. edu.ioffe.ru/lectures/leden

Ненашев А.В. От лампы накаливания к сверхъярким светодиодам: день сегодняшний и завтрашний. http://www.energosber.74.ru/vestnik/4_2005/4_05_6.html

Онищенко Е. Полупроводниковые гетероструктуры: от классических к низкоразмерным, или «Конструктор» от нобелевского лауреата. http://www.scientific.ru/journal/onisch/onisch.html

Полянский С.В., Радаев А.А., Титов М.Н. Сравнение применения светодиодов и полупроводниковых лазеров для лазерной медицины. http://technica-pro.by.ru/apparatus/gazeta/n001/sravnenie.shtm .

Н.Д.КОЗЛОВА (по указанным материалам интернета)