Излучатели на основе гетероструктур

Наилучшие параметры имеют диоды, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеро­пеpеходов). На рис. 3.8, а изображены энергетические диaгpаммы излучающей гетеро­структуры GaAlAs-GаАs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии . Таким образом, reтepocтpyктypa имеет различные потенциальные барьеры дли инжектируемых дырок и электронов.

Рисунок 3.8. Энергетические диаграммы излучающих одинарной (а) и двойной (б) гетероструктур:

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителя­ми заряда только одного типа (для гeтepocтpyктуpы на рис. 3.8, а - электронами). Поэто­му при пpиложении прямоro напряжения имеет место односторонняя инжекция - только электронов из широкого слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содер­жащая широкозонный эмиттeр и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой.

Наряду с одинарной в излучающих диодах используется двойная гeтepocтpyктypa, в ко­торой имеется дополнительно запирающий широкозонный р₃-слой того же, что и база типa пpoводимости (рис..8, 6). в двойной гeтepocтpyктype 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 квaнтoвoгo выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гeтepocтpyктype при умень­шении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход состав­ляет (3... 4) %, а время переключения (40... 80) нс; двойные гетероструктуры имеют пример­но такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения (20... 30) нс.

Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирова­ния эмиттeрной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) перехо­де. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока, и появляется возмож­ность изменения степени легировании областей гетероструктуры без ухудшения инжек­ции р-n-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. 3.9). поэтому излучение выво­дится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явле­ние многoкратного отражения («многoпроходный 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, многопpоход­ный 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 гетеропeрехода. 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 гетероперехода практически сводит к нулю все его преимущества.

Поиск по сайту: