Билет 12

 

2. Понятие гетероструктуры. Принцип работы инжекционного лазера.

Гетероструктура — полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами. Если имеются полупроводники (узкозонные и широкозонные), способные образовывать резкие гетеропереходы, то с помощью легирования из них можно построить много различных гетероструктур.

 

Гетеропереход — контакт двух различных по химическому составу полупро­водников (монокристаллических или аморфных). Для практических приложений наиболее часто используются гетеропереходы, образованные монокристаллами.

Изотипный гетеропереход — контакт полупроводников с одинаковым типом проводимости.

Анизотипный гетеропереход — контакт полупроводников с различными типа­ми проводимости.

Требования к гетеропереходам очень жесткие. Для получения гетеропереходов без дефектов кристаллической решетки необходимо, чтобы совпадали типы кри­сталлических решеток полупроводников, их периоды и коэффициенты теплового расширения. Пример почти идеального гетероперехода — GaAs - Al_xGa₁__xAs . В данном случае периоды кристаллических решеток совпадают с точностью ≈ 0,1 %.

Гетеропереходы принято разделять на резкие и плавные. В резких гетеропере­ходах на границе полупроводников происходит разрыв зон и в переходной обла­сти имеется заметный объемный заряд. В плавных гетеропереходах с достаточно большой толщиной переходной области нет разрыва зон. Например, в изотипном переходе при l_пер>> l_D , где l_D — дебаевская длина экранирования, практически отсутствует объемный заряд и переходная область представляет собой кристалл с переменной шириной запрещенной зоны E_g .

Толщина l переходной области между однородными полупроводниками мо­жет изменяться в широких пределах. В наиболее резких переходах l ≈ 10 А — несколько атомных слоев.

На Рис в качестве примера изображена зонная диаграмма анизотипного N - p гетероперехода¹. Из рисунка видно, что на границе возникает разрыв зон. Если пе­реход плавный, то разрывы отсутствуют. В частности, вместо характерного "крюка" наблюдается плавное изменение дна зоны проводимости. Отметим важное обстоятель­ство, показанное на Рис. 9.1., — появление потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе.  .

 

Заглавной буквой принято обозначать широкозонный, а строчной — узкозонный полупроводник

 

Как правило, в гетероструктурах показатель преломления узкозонного слоя больше, чем показатель преломления широкозонные слоя. С этим связана одна интересная особенность распространения света в гетероструктурах.

На Рис. схематично изображена двойная гетероструктура. Если n₁ > n₂, то на границах узкозонного слоя происходит полное внутреннее отражение света. Таким об­разом, излучение, попавшее в узкозонный слой извне или возникшее при рекомбинации электронов и дырок в самом узкозонном слое, распространяется в нем как в волново­де. Это явление называется волноводным эффектом в гетероструктурах (другое распространенное название — оптическое ограничение).

Волноводный эффект используется во многих устройствах оптоэлектроники: гете-росветоводах, гетеросветодиодах, фототиристорах (усилителях света), и др. Волно­водный эффект играет также ключевую роль в гетеролазерах (см. ниже).

 

           

Принцип работы гетеролазера

Во многих гетеролазерах (т.е. лазерах на основе гетероструктур) используются два рассмотренных выше эффекта: электронное ограничение и волноводный эффект в узкозонной области гетероструктуры. На Рис.  изображена схема инжекционного лазера.

 

Как известно, показатель преломления тем больше, чем легче поляризуется среда элек­трическим полем световой волны. Процесс поляризации полупроводника при распространении света можно представить как возникновение виртуальных пар электрон-дырка под действием электрическо­го поля световой волны. Ясно, что узкозонный полупроводник (с малой шириной запрещенной зоны) поляризуется легче, чем широкозонный полупроводник.

Инжекция неравновесных носителей в активный узкозонный слой происходит при пропускании тока через структуру в вертикальном направлении. Лазерное (когерент­ное) излучение возникает в активном слое за счет стимулированной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Боковые грани кристалла играют роль оптического резонатора Фабри-Перо