|
| |
|
Слаботочка Книги Таким образом, проблема состоит в выборе полупроводников подходящего состава, нахождении способа их эпитаксиального выращивания друг на друге (с обеспечением управляемости, однородности по поверхности и т. п.), предотвращении при этом загрязнения активных слоев вредными примесями и в обеспечении долговременной стабильности полученных структур. Общий принцип выбора материалов основан на использовании изоморфных изопериодических структур (соединений, твердых растворов) - материалов, имеющих кристаллографическую решетку одного типа с почти совпадающими периодами решетки и температурными коэффициентами линейного расширения. Среди тройных соединений бинарных полупроводников АВ условие (2.33) почти точно выполняется для системы AlAs-GaAs в широком интервале изменения ее состава (рис. 2.11). Идеальность этой системы обусловлена тем, что атомы Al и Ga имеют очень близкие ковалентные радиусы, так что их взаимозамещение в твердом растворе AlAs-GaAs слабо влияет на период решетки. Большинство других систем на основе бинарных полупроводников АВ и тем более на основе соединений АВ (у которых Да/а« »5... 20%) для создания качественных гетероструктур непригодны. Управляемая (а не случайная) реализация принципа изоперио-дического замещения осуществляется в четверных (четырехкомпо-нентньтх) соединениях i{i-x)Qi{i-y)-к2х2у, где л; и г/ - доли замещения атомов Ai и Bi атомами а2 и Вг. Если межатомное расстояние в решетке твердого раствора Г4 = Г1 + Г2 (п и Гг - ковалентные радиусы атомов в двух исходных составах), то в силу монотонной зависимости периода решетки от состава всегда оты- Ед,ЗВ 0.8 GaSb
0,517 0,620 0,775 1,033 1,550 3,100 0,5it 0,56 0,58 0,60 S 0,62 0,ct а,нм Рис. 2.11. Связь ширины запрещенной зоны с постоянной кристаллической решетки трехкомпонентных твердых растворов полупроводников А=*В= щется такой набор значений х={р(у), при котором вариация среднего мекатомного расстояния в растворе б {1-х) + гд, (X) + (1 - г/) + т = о, (2.34) что и означает выполнение принципа изопериодичности. Таким образом, в четырехкомпонентной системе искажения, вызываемые замещением одного вида атомов (например, Ai на а2), практически всегда могут быть скомпенсированы обратными по знаку искажениями при замещении атомов другого вида (Bi на Вг). Изготовление гетероструктур осуществляется с помощью различных методов эпитаксиального выращивания, т. е. закономерного осаждения вещества одного состава (пленки) на поверхности другого (подложку). Для получения соверщенных гетерограниц образующаяся эпитаксиальная структура должна представлять собой единый монокристалл. Наилучшие показатели с точки зрения массово"о производства имеет эпитаксия из газовой фазы, т. е. синтезирование вещества в результате термохимических реакций газообразных соединений, протекающих над разогретой подложкой. Процесс успешно используется при изготовлении структур на основе GaAsP, GaAs, InGaAs. Однако для многих соединений (в особенности содержащих А1) метод практически непригоден из-за неконтролируемых загрязнений и химических реакций при высокой температуре. В последние годы применение металлоорганических соединений (МОС-эпитаксия) позволило резко снизить температуру реакции, что открыло перед газофазной эпитаксией реальные перспективы более широкого использования в оптоэлектронике. Универсальным и потому основным методом получения гетероструктур является жидкофазная эпитаксия, в процессе которой разогретая подложка заливается расплавом шихты, содержащей необходимые компоненты Ga, Al, In и др.), а в реакционной камере реализуется определенный пространственный и временной закон изменения температуры. Через некоторое время шихту убирают, а на подложке остается эпитаксиальная пленка синтезируемого соединения. Повторяя процесс многократно с разной по составу шихтой, получают требуемую гетероструктуру. Этот метод успешно апробирован при создании структур на основе соединений GaAlAs, GaAs, InGaP, InAsP, InAs, InGaAsP, InAlAsSb, InGaAsSb, InAlAsP и др. Для создания сверхтонких (единицы и десятки нанометров) гетероструктур применяется молекулярная эпитаксия, использующая направленные атомные потоки в условиях сверхвысокого вакуума (около 10-2 мм рт. ст.). Однако по-прежнему наиболее универсальным способом изготовления гетероструктур для оптоэлектроники все еще остается жидкофазная эпитаксия. 2.3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Основой принципа действия подавляющего большинства оптоэлектронных фотоприемников являются фотоэлектрические процессы, обусловленные внутренним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом (далее будем рассматривать только полупроводники) может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. Первый тип взаимодействия, включающий такие процессы, как пропускание, отражение, рассеяние, вращение плоскости поляризации и другие, рассмотрен в гл. 1 и к фотоэффекту отношения не имеет. Лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает повышение температуры тела. Этот эффект находит и практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников - болометрах, но из-за невысокой чувствительности « низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются . Лишь непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных) и примесных (рис, 2.12). Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков - и электронов, и дырок. Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости записывается так: hv>Eg, (2.35) где h\ - энергия кванта излучения. При выполнении этого условия вблизи границы поглощения, соответствующей равенству в (2.35), зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для прямозонных и непрямозонных полупроводников соответственно имеет вид: x,p = Л(;гv-£g)/ (2.36) JHenp = B{hy~Eg±.h Vф„) (2.37) где А а В - константы; /гvфн - энергия фонона, а выбор знака в (2.37) зависит от того, идет ли процесс с отдачей энергии фонону (плюс) или с получением энергии от него (минус). Это не означает, что болометры не имеют достоинств в других областях применения: упомянем хотя бы их неизбирательность в широком спектральном! диапазоне. Каталог могильных памятников kareliann.ru. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 [23] 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||