Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

452

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

достигается при d = 0,1 мкм. При дальнейшем сужении актив-

ной области выход излучения за пределы оптического волново-

да уменьшает эффективность взаимодействия оптической волны

сЕэлектронным возбуждением (коэффициент оптического огра-

ничения Г) и пороговая плотность тока начинает возрастать. Для

преодоления этих ограничений в современных лазерах создают

более сложные структуры, которые мы обсудим ниже.

После разработки лазеров с двойной гетероструктурой, спо-

собных работать в непрерывном или квазинепрерывном режи-

ме, возникла задача уменьшения площади активной области с

целью понижения рабочих токов лазеров до уровней, использу-

емых в традиционной электронике. На рис. 7.34 показаны две

конструкции инжекционного лазера с полосковой геометрией.

металл

вольфрамовая

проволока

окисел

-GaAs

p-AlGaAs

п- или p-GaAs

(активный слой) /

n-AIGaAs

протоны

металл

-GaAs

p-AIGaAs

п- или p-GaAs'

(активный слой)

^ тг-AIGaAs

подложка ^^^^^^ г у Ь

/ \У подложка

металл '

Рис. 7.34. Конструкции лазеров с двойной гетероструктурой и полосковой

геометрией, созданной с использованием окисной изоляции (а) и путем бом-

бардировки незащищенной поверхности структуры протонами (б) [14]

Создать активную область в виде узкой полоски, перпендику-

лярной граням резонатора, можно либо ограничивая область

электрического контакта к верхнему слою гетероструктуры с

помощью окисной изоляции (см. рис. 7.34 а), либо сильно уве-

личивая удельное сопротивление верхнего слоя структуры за

пределами активной области путем ее бомбардировки протонами

(см. рис. 7.346). Кроме уменьшения порогового тока, полосковая

геометрия необходима еще и для обеспечения одномодового ха-

рактера генерации лазера, поскольку в лазерах с шириной актив-

ной области более ~20 мкм обычно одновременно возбуждаются

несколько мод колебаний, что снижает степень когерентности

излучения лазера и увеличивает ширину спектра излучения

') Узкая линия излучения имеет первостепенное значение при использо-

вании лазеров в волоконно-оптических линиях связи, Из-за дисперсии пока-

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

453

Одним из способов преодоления

ограничений, связанных с выходом из-

лучения за пределы активной обла-

сти в двойных гетероструктурах с d <

< 0,1 мкм, является создание так

называемой структуры с раздель-

ным ограничением (SCH — sepa-

rate confinement heterostructure или,

что то же са мое, LOC —

a rge

optical cavity) [330]. В этой структу-

ре (см. рис. 7.35) электронное возбуж-

дение локализовано в наиболее узко-

зонной части структуры — квантовой

яме, ширина которой может достигать

нескольких десятков ангстрем, а вол-

новодом служит область шириной по-

рядка 1 мкм, ограниченная с двух сто-

рон двумя наиболее широкозонными областями. Первый инжек-

ционный лазер с такой структурой и активной областью шириной

200 А был создан в [331]. Структура с раздельным ограничением

позволяет еще сильнее снизить пороговую плотность тока (до ^

~100 А/см

в структуре с одной квантовой ямой [332]). Для

уменьшения пороговой плотности тока в волноводной области

структуры можно расположить не одну, а несколько квантовых

ям. Дальнейшее улучшение характеристик лазеров достигает-

ся в структурах, в которых в области оптического ограниче-

ния создается градиент показателя преломления (GRINSCH —

graded index separate confinement heterostructure), Структура с

раздельным ограничением имеет еще одно преимущество над

двойной гетероструктурой: она характеризуется более высокой

стойкостью по отношению к катастрофическим отказам, связан-

ным с разрушением зеркал оптического резонатора при высокой

мощности выходного излучения [330].

Дальнейшее развитие инжекционных лазеров связано с рас-

ширением круга используемых в гетероструктурах материалов.

На рис. 7.36 показана зависимость ширины запрещенной зоны

(и соответствующая ей длина волны) для ряда тройных твер-

дых растворов соединений A

со структурой сфалерита как

зателя преломления излучение с разной длиной волны распространяется по

волокну с разной скоростью. При большой длине канала передачи это вызывает

уширение принимаемого оптического импульса и может сделать невозможной

высокую скорость передачи данных.

р р п п

Рис. 7.35. Энергетическая

диаграмма, профиль пока-

зателя преломления и рас-

пределение мощности све-

товой волны в структуре с

раздельным ограничением

454

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

параметр решетки, А

Рис. 7,36. Зависимость ширины запрещенной зоны и длины волны, отвечающей

краю собственного поглощения, в тройных твердых растворах полупроводников

группы A

от параметра кристаллической решетки, Сплошные линии —

прямозонные полупроводники, штриховые линии — непрямозонные полупро-

водники

функция параметра кристаллической решетки. Эта диаграмма

позволяет найти Е

и параметры состава любой пары тройных

твердых растворов, согласованных по параметру решетки, кото-

рые необходимы для создания лазера с требуемой длиной волны.

Использование аналогичной диаграммы для четверных твердых

растворов позволяет заметно расширить область поиска и рас-

считать составы согласованной по параметру решетки гетеропе-

реходной пары, которая может быть выращена на широко доступ-

ных подложках (например, на GaAs или InP). Так, взяв одним

из материалов пары InP и подбирая параметры состава (ж, у) чет-

верного твердого раствора In

Gai_

Pi_

, можно определить

значения этих параметров, необходимые для создания лазеров с

X — 1,3 и 1,55 мкм (на этих длинах волн в кварцевом волокне

находятся минимумы коэффициента поглощения).

Разработанные к настоящему времени инжекционные полу-

проводниковые лазеры, работающие на межзонных переходах,

перекрывают широкий диапазон электромагнитного спектра от

ультрафиолетовой области (GaN, ХйО, 36 мкм) до средней ин-

фракрасной области спектра (Pb[_

Tei_

, X « 46 мкм).

Продвинуться в более длинноволновую область (до 130 мкм)

можно, используя квантово-каскадные лазеры, которые рабо-

тают на переходах между уровнями размерного квантования

в сверхрешетках [333].

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

455

Инжекционные лазеры с вертикальным резонатором.

Сильное уменьшение объема активной области, сопровождаемое

существенным понижением порогового тока лазеров, удалось

реализовать в разработанных в 1979 г. структурах с верти-

кальным резонатором (VCSEL — vertical cavity surface emitting

laser) [334] Пороговый ток в таких лазерах может составлять

менее 10 мкА [335].

лазерное излучение

активная область А РБО p-AlGaAs

гг-GaAs | / _ контакт

B^Si 0

подложка n-GaAs

Рис. 7.37. Конструкция лазера с вертикальным резонатором [336]

Одна из конструкций VCSEL-лазера показана на

рис. 7.37 [336]. В этой конструкции активная область из

n-GaAs толщиной L = 2 мкм располагается между двумя

горизонтально расположенными многослойными «зеркала-

ми», которые изготавливаются из изотипных гетероструктур

Alo.osGao.gsAs/Alo.ssGao^As р- и n-типа и одновременно

служат широкозонными эмиттерами. При этом вывод излучения

происходит в вертикальном направлении через верхнюю

поверхность структуры. Из-за очень малой толщины активной

области для получения низкого порога генерации в соответствии

с формулой (7.48) необходимо, чтобы зеркала имели высокий

коэффициент отражения R. В качестве зеркал в лазерах с

вертикальным резонатором обычно используют распределенные

брэгговские отражатели (РБО), построенные из чередующихся

слоев материалов с заметно различающимся показателем

преломления (GaAs/AlGaAs, GaAs/A^Oa, ZnSe/MgF2), каждый

из которых имеет толщину Л/4. При числе слоев от 50 до 80 на

таких зеркалах удается получить

> 99,95%.

) В отечественной литературе эти структуры также называют вертикально

излучающими лазерами.

456 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

Большое внимание, уделяемое в настоящее время VCSEL-

лазерам, связано с тем, что сопряжение таких лазеров с опто-

волоконным кабелем оказывается намного проще по сравнению

с лазерами, в которых излучение выводится через боковую по-

верхность, Лазеры с вертикальным резонатором имеют более

высокую надежность и более низкую стоимость. Низкие порого-

вые токи и близкая к планарной технология изготовления лазер-

ных структур позволяют создавать из таких лазеров двумерные

массивы излучателей, что невозможно при других конструкциях

инжекционных лазеров. Наконец, из-за больших геометрических

размеров области вывода излучения диаграмма направленности

этих лазеров оказывается уже, чем для лазеров с боковым вы-

водом излучения. Выходная мощность VCSEL-лазеров достигает

1,5 Вт [337].

Инжекционные лазеры на квантовых ямах, нитях и точ-

ках. В лазерных структурах с узкими квантовыми ямами до-

полнительному уменьшению пороговой плотности тока способ-

ствует и качественное изменение энергетической зависимости

плотности состояний в двумерных структурах. Об изменении

плотности состояний в структурах пониженной размерности мы

уже говорили в п. 1.6.2.

Понять причину уменьшения J

nop

при понижении размер-

ности можно из анализа рис. 7.38 [338]. Для того, чтобы в

полупроводнике могла возникнуть лазерная генерация, значение

оптического усиления в максимуме спектра должно стать больше

величины, определяемой потерями в резонаторе.

Чтобы этого достигнуть, в полупроводнике необходимо создать

сильное электронное возбуждение, однако при этом, как следует

из рис. 7.38 а, в объемном полупроводнике распределение элек-

тронов по энергиям таково, что большая часть возбужденных

электронов никогда не будет давать вклад в оптическое усиление.

Иная ситуация складывается в двумерных структурах (кван-

товых ямах). Благодаря ступенчатой зависимости плотности со-

стояний от энергии (см. рис. 7.386) в них значительная большая

часть возбужденных электронов с энергией вблизи края подзоны

дает вклад в оптическое усиление. То есть из-за более эф-

фективного согласования энергетической зависимости плотности

состояний со спектрами усиления для возникновения лазерной

генерации в двумерных структурах требуется более низкий уро-

вень возбуждения.

Для одномерных (квантовые нити) и нульмерных струк-

тур (квантовые точки) энергетическая зависимость плотности

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

457

потери в 8

волноводе

—

_А

ПЛОТНОСТЬ

состояний и

усиление

+£n

Рис. 7.38. Условия возбуждения лазерной генерации в полупроводниковых

структурах различной размерности [338]: а — объемный полупроводник, б —

квантовая яма, в — квантовая нить, г — квантовая точка

состояний все лучше и лучше согласуется со спектрами оптиче-

ского усиления, что приводит к уменьшению числа электронных

состояний, которые надо заполнить для достижения требуемого

усиления. Это позволяет ожидать существенного снижения плот-

ности порогового тока в таких структурах. Таким образом, из

рис. 7.38 следует, что лазеры на квантовых точках являются наи-

более перспективным типом полупроводниковых лазеров. К до-

стоинствам лазеров на квантовых точках следует также добавить

возможность гибкого управления длиной волны излучения путем

изменения размера квантовых точек.

Лазеры на полупроводниковых структурах пониженной раз-

мерности имеют еще одно преимущество по сравнению с ла-

зерами на основе объемных полупроводников — более слабую

температурную зависимость порогового тока, Основной причи-

ной быстрого увеличения J

nop

с ростом температуры явля-

ется тепловое «размытие» функций распределения участвую-

щих в излучательной рекомбинации носителей, из-за которо-

го для достижения необходимого значения коэффициента оп-

тического усиления требуется инжектировать все большие кон-

центрации носителей. Однако как показали Аракава и Сака-

ки [339], в структурах пониженной размерности из-за лучшего

согласования энергетической зависимости плотности состояний

458

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

и спектров оптического усиления влияние теплового размытия

должно сильно ослабевать. Этот эффект, действительно наблю-

дающийся в эксперименте, позволяет заметно расширить диапа-

зон рабочих температур инжекционных лазеров.

Для реализации потенциальных возможностей инжекцион-

ных лазеров на структурах пониженной размерности в конце

80-х годов были начаты работы по созданию таких лазеров.

Первые опыты по созданию квантовых нитей с использованием

фотолитографии, травления и последующего заращивания ни-

тей позволили получить лазерные структуры, которые работали

только при низких температурах, характеризовались заметной

неоднородностью (связанной с разбросом поперечных размеров

отдельных квантовых нитей) и в которых отсутствовали особен-

ности, свидетельствующие об одномерном характере движения

носителей. Первый работающий при 300 К лазер на квантовых

нитях был создан в 1989 году в системе AIGaAs/GaAs [340].

В нем квантовые нити из GaAs, окруженные слоями из AlGaAs,

выращивались в V-образных канавках, которые шли в направ-

лении [011] и были получены путем избирательного травления

подложек GaAs с ориентацией (100) (см. также с. 208). Невысо-

кий коэффициент оптического ограничения Г, характерный для

структуры с одиночной квантовой нитью, был впоследствии уве-

личен путем выращивания «стопки» из вертикально связанных

квантовых нитей и созданием массивов квантовых нитей при

выращивании короткопериодных сверхрешеток на вицинальных

поверхностях GaAs или с использованием явлений самоорганиза-

ции при выращивании таких сверхрешеток на рассогласованных

по параметру решетки подложках [341].

Дальнейший прогресс в создании лазеров на полупроводни-

ковых структурах пониженной размерности был связан с разви-

тием неожиданно открывшейся возможности формирования мас-

сивов практически одинаковых по размеру и форме квантовых

точек.

Возможность образования маленьких островков полупровод-

ника при субмонослойном покрытии подложки (то есть когда

количества нанесенного на подложку вещества не хватает для

образования одного монослоя) была известна давно, однако

слишком большая дисперсия размеров островков делала их ма-

лоперспективными для исследований. В начале 80-х годов были

найдены технологические режимы, позволявшие при выращи-

вании тонких пленок полупроводников, сильно отличавшихся

по параметру решетки от материала подложки, реализовать

как режим роста двумерной пленки, так и режим роста трех-

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

459

мерных кластеров. В 1985 г. было обнаружено явление само-

организации, заключавшееся в формировании упорядоченных

в направлении роста цепочек квантовых точек при выращива-

нии многослойных структур InAs/GaAs [342]. Несколько позже

были найдены технологические условия, при которых в одном

слое образуются квантовые точки приблизительно одинакового

размера и формы [343], а затем и условия образования этими

точками практически регулярной структуры [344, 345]. Изоб-

ражение одного слоя такой структуры в электронном микроско-

пе и качественный вид образующейся структуры показаны на

рис. 7.39. Плотность островков в слое составляет ~5

•

см

-2

Получающиеся островки представляют собой пирамидки

с характерным размером основания 100-150 А и высотой 30-

70 А. При этом каждая пирамидка содержит от нескольких

тысяч до нескольких десятков тысяч атомов. Вещество в

пирамидке находится в когерентно напряженном состоянии,

поскольку для островков небольшого размера такое состояние

энергетически более выгодно, чем состояние, в котором упругие

напряжения снимаются путем образования дислокаций несоот-

ветствия. Как было показано в работе [344], при определенных

соотношениях между изменением поверхностной энергией

при образовании пирамидки и энергией возникающих на ее

ребрах упругих напряжений появляется некий оптимальный

размер пирамидки, при котором ее термодинамическая энергия

достигает минимума. Взаимодействие пирамидок посредством

напряжений, создаваемых ими в подложке, может приводить

к возникновению регулярной структуры. Поскольку размеры

пирамидок достаточно малы и в них проявляется эффект

ограничения движения носителей во всех трех измерениях,

каждую из них можно рассматривать как квантовую точку.

Закрывая выращенный на поверхности подложки слой кван-

товых точек тонким слоем полупроводника, из которого из-

готовлена подложка, и выращивая следующие слои кванто-

вых точек последовательно друг за другом на расстоянии

~100 А, можно создать трехмерную пространственную структу-

ру из вертикально связанных квантовых точек.

То, что образующиеся при самоорганизованном росте пи-

рамидки имеют приблизительно одинаковый размер и форму,

приводит к тому, что электронный спектр всех квантовых точек

очень близок. Это позволило сделать следующий шаг в тех-

нологии инжекционных лазеров и наблюдать сначала лазерную

генерацию при 300 К при оптическом возбуждении [346], а затем

создать и первый инжекционный лазер на квантовых точках

460

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

[010]

[100]

Л? Л? /у

ZS? Л?

/У /У Л7

20 нм

I I

Рис. 7.39. Электронно-микроскопическое изображение (с) и качественный вид

(б) упорядоченного массива когерентно напряженных островков InAs на под-

ложке GaAs [345]

в системе InAs/GaAs [347, 348] 0. Уже сегодня в лазерах на

квантовых точках достигнута рекордно низкая пороговая плот-

ность тока 16 А/см

при комнатной температуре [350]; выходная

мощность таких лазеров достигла 7 Вт в импульсном режиме на

длине волны 1,55 мкм [351].

Кроме квантовых точек в обсуждавшейся выше системе

InAs/GaAs, в настоящее время получены и достаточно подробно

исследованы квантовые точки и в других полупроводниковых

системах: Ge/Si, CdSe/ZnSe и др. Помимо создания полупро-

водниковых лазеров с низким порогом и высокой температурной

стабильностью, квантовые точки начинают использовать в люми-

несцентных концентраторах (см. подробнее с. 421) для увеличе-

ния к.п.д. солнечных элементов [352], в фотоприемниках [353],

светодиодах.

О свойствах, методах получения и последних достижениях в

области создания гетероструктур с квантовыми точками можно

прочитать в обзорах [345, 354].

') Впервые лазерная генерация на квантовых точках наблюдалась в 1991 г,

при оптическом возбуждении микрокристаллов CdSe, находящихся в стеклян-

ной матрице [349].

ПРИЛОЖЕНИЕ

В табл. 1 приведены некоторые физические свойства диэлек-

триков, а в табл. 2 — физические свойства полупроводников,

используемых при производстве полупроводниковых приборов.

Сведения о других физических свойствах полупроводников мож-

но найти в работе [306]. Сравнительно большой разброс данных

для диэлектрической проницаемости в табл. 1 связан с тем, что

ряд материалов может существовать в нескольких кристалличе-

ских модификациях, а низкосимметричные кристаллы к тому же

могут обладать заметной анизотропией.

Таблица 1, Некоторые физические свойства диэлектриков, используемых

при производстве полупроводниковых приборов [Т = 300 К) (178, 355, 356]

Материал

^проб»

эВ

Ом • см

МВ/см эВ

Si0

9 3,9

-I0

10 3,2

5,3

7-7,9

-10

2,4

А]

8,8

9,5-12

>10

3-5

2,8

6 -15 .

2,3

~21

2,3

4,4 23-28

>3 • 10

4,5

0,36

тю

3,0-3,2 60-170

ZR0

5,7-5,8 12-25

1,4-1,5

ню

5,7-6

16-30

8,5

1,5

ZrSi0

10-12

1,5

HfSi0

10-25

1,5

BST* ~300

* Твердый раствор Вао.ббЗго.збТЮз.