Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |   ...   | 5 |

p+ GaAs 3 m Необходимо отметить, что их подход не применим к pAl0.25Ga0.75As 3m полупроводниковым лазерам, и все исследователи полуp GaAs 0.5 m pAl0.25Ga0.75As 3m проводниковых лазеров с РОС или с распределенными n GaAs брегговскими зеркалами (РБЗ) используют идеи, сфорMetal 250 m мулированные в [35]:

Copper 1. Дифракционная решетка создается не в объеме, а на поверхности волноводного слоя.

Рис. 2. Схематическое изображение структуры первого ин2. Взаимодействие волноводных мод с поверхностной жекционного ДГС лазера, работающего в непрерывном режиме дифракционной решеткой приводит не только к распрепри комнатной температуре.

деленной обратной связи, но и дает на выходе хорошо сколлимированное излучение.

Подробный теоретический анализ работы полупровод(рис. 2). Самая низкая плотность порогового тока Jth при никового лазера с поверхностной дифракционной решет300 К была 940 А/см2 для широких лазеров и 2.7 кА/смкой был выполнен в 1972 г. [37], где авторами была для полосковых лазеров. Независимо о непрерывном реустановлена возможность одномодовой генерации. Пержиме лазерной генерации в ДГС лазерах было сообщено вые полупроводниковые лазеры с поверхностной дифракИцуо Хаяши и Мортоном Панишем [29] (для широких ционной решеткой и распределенной обратной связью лазеров с алмазным теплоотводом) в статье, посланной были получены практически одновременно в Физикотолько на один месяц позже, чем наша. Достижение техническом институте [38], Калтехе [39] и Лаборатории режима непрерывной лазерной генерации при комнатной корпорации Xerox в Пало Альто [40].

температуре вызвало взрыв интереса к физике и техноВ начале 80-х годов Г. Кремер и Г. Гриффитс опулогии полупроводниковых гетероструктур. Если в 1969 г.

бликовали работу [41], стимулировавшую повышенный A1GaAs-гетероструктуры изучались только в нескольких лабораториях, в основном в СССР (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, интерес к гетероструктурам со ступенчатой структурой ФПолюсФ и ФКвантФ Ч промышленные лаборатории, где зон (гетеропереходы II-го рода). Пространственное размы внедряли наши технологии для прикладных про- деление электронов и дырок на таких гетерограницах грамм) и в США(Bell Telephone, D.Sarnoff RCA Reseach позволяет в широких пределах управлять их оптическиCenter, T.Watson IBM Res. Center), то в начале 1971 г.

ми свойствами [21c,42]. Ступенчатая структура зон дает многие университеты, промышленные лаборатории в возможность получить оптическое излучение с энергией США, СССР, Великобритании, Японии а также в Брафотона, много меньшей ширины запрещенной зоны казилии и Польше начали исследования гетероструктур и ждого из полупроводников, формирующих гетеропереприборов с ними на основе соединений АIIIBV.

ход. Реализация инжекционного лазера на основе гетеНа этой ранней стадии развития физики и техноропереходов II-го рода в системе GaInAsSb-GaSb [42] отлогии гетероструктур стало ясно, что для расширекрыла хорошие перспективы для создания эффективных ния спектральной области нам необходимо искать нокогерентных источников света в инфракрасном оптичевые решеточно-согласованные гетероструктуры. Первый ском диапазоне. Излучение в структурах такого типа возважный шаг был осуществлен в нашей лаборатории в никает за счет рекомбинации электронов и дырок, лока1970 г.: в работе [30] мы сообщили, что возможно лизованных в самосогласованных потенциальных ямах, получение различных решеточно-согласованных гетерорасположенных по разные стороны от гетерограницы.

переходов с использованием четверных твердых раствоТаким образом гетероструктуры II-го рода открывают норов АIIIBV, позволяющих независимо менять постоянвые возможности как в фундаментальных исследованиях, ную решетки и ширину запрещенной зоны. Позже к так и для приборных применений, реализация которых тем же самым выводам пришел Г. Антипас с сотр.[31].

на гетероструктурах I-го рода в системе соединений Как практический пример, использующий эту идею, мы АIIIBV невозможна. Однако практическое использование рассмотрели различные составы InGaAsP, и скоро этот гетероструктур II-го рода до сих пор лимитируется недоматериал стал одним из наиболее важных для множества статочным пониманием их фундаментальных свойств и прикладных задач: фотокатоды [32] и, особенно, лазеры ограниченным числом экспериментально исследованных в инфракрасной области для волоконно-оптической свясистем.

зи [33] и в видимом диапазоне [34].

Основные идеи относительно полупроводникового ла- Кратко сформулируем и классифицируем наиболее зера с распределенной обратной связью (РОС) были важные результаты развития классических гетероструксформулированы нами в авторском свидетельстве в тур следующим, удобным, на наш взгляд, способом.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 120 m История и будущее полупроводниковых гетероструктур Классические гетероструктуры III. Важные технологические особенности - Принципиальная необходимость структур с хорошим I. Фундаментальные физические явления (рис. 3) согласованием параметров решетки.

- Односторонняя инжекция.

- Многокомпонентные твердые растворы используют - Сверхинжекция.

ся для согласования параметра решетки.

- Диффузия во встроенном квазиэлектрическом поле.

- Принципиальная необходимость эпитаксиальных - Электронное ограничение.

технологий выращивания.

- Оптическое ограничение.

В заключение этого краткого обзора раннего развития - Эффект широкозонного окна.

ФобъемныхФ гетероструктур можно сказать, что создание - Диагональное туннелирование через гетерограницу.

ФидеальногоФ гетероперехода и введение концепции геII. Важные следствия для применений в полупротероструктуры в физику и технологию полупроводников водниковых приборах привело к открытию новых физических эффектов, кар - Низкопороговые полупроводниковые лазеры, работадинальному улучшению характеристик фактически всех ющие в непрерывном режиме при комнатной температуизвестных и созданию новых типов полупроводниковых ре, лазеры с распределенной обратной связью и с распреприборов.

деленными брэгговскими зеркалами, поверхностно-излучающие лазеры, инфракрасные лазеры на гетероструктурах II-го рода.

3. Гетероструктуры с квантовыми - Высокоэффективные светоизлучающие диоды.

ямами и сверхрешетками - Солнечные элементы и фотодетекторы, основанные на эффекте широкозонного окна.

Благодаря наличию электронного ограничения в ДГС, - Полупроводниковая интегральная оптика, основанлазеры на основе двойных гетероструктур, по-существу, ная на полупроводниковых РОС и РБЗ лазерах.

стали прямыми предшественниками структур с кванто - Гетеробиполярные транзисторы с широкозонным выми ямами, в которых средний узкозонный слой имеет эмиттером.

толщину порядка нескольких сотен ангстрем, что при - Транзисторы, тиристоры, динисторы с передачей водит к расщеплению электронных уровней вследствие светового сигнала.

эффектов размерного квантования. Однако лишь с разви - Мощные диоды и тиристоры.

тием новых методов выращивания гетероструктур стала - Преобразователи света из инфракрасного в видимый возможной реализация высококачественных двойных гедиапазон.

тероструктур со сверхтонкими слоями. В 70-е годы были - Эффективные холодные катоды.

разработаны два основных современных метода эпитаксиального роста с прецизионным контролем толщины, (a) (d) Electrons планарности, состава и т. д. Метод молекулярно-пучEc EgFn ковой эпитаксии (МПЭ) превратился сегодня в одну из Ec важнейших технологий для выращивания гетероструктур Fp Egна основе соединений АIIIBV прежде всего благодаря Ev + пионерской работе A. Чо [43]. Основные идеи метода Holes газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений (МОС ГФЭ) были изложены в ранней ра(b) (e) боте Г. Манасевита [44]. нашел широкое применение Electrons для выращивания гетероструктур соединений АIIIBV, в Eg1 Egособенности после сообщения Р. Дюпюи и П. Дапкуса о получении с его помощью инжекционного ДГС лазера в системе AlGaAs, работающего при комнатной температуре [45].

(c) Четкое проявление эффектов размерного квантования Ec в оптических спектрах полупроводниковой гетерострукFn туры GaAsЦAlGaAs со сверхтонким слоем GaAs (квантовой ямой), было продемонстрировано Р. Динглом и Fp др. в 1974 г. [46]. Авторы наблюдали характерную Ev ступенчатую структуру в спектрах поглощения и сиРис. 3. Основные физические явления в классических гетестематический сдвиг характеристических энергий при роструктурах. a Ч односторонняя инжекция и сверхинжекуменьшении толщины квантовой ямы (КЯ).

ция; b Ч диффузия во встроенном квазиэлектрическом поле;

Экспериментальное изучение сверхрешеток началось c Ч электронное и оптическое ограничение; d Ч эффект в 1970 г. с работы Л. Есаки и Р. Тсу [47], где авторы расширокозонного окна; e Ч диагональное туннелирование через смотрели электронный транспорт в сверхрешетке, т. е. в гетерограницу.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 8 Ж.И. Алферов 0.3 0.структуре с дополнительным периодическим потенциаdI/dV лом, создаваемым легированием или изменением состава (c) полупроводниковых материалов с периодом, большим, 0.0.(b) но сравнимым с постоянной кристаллической решетки.

В этом, как его назвал Лео Есаки, ФMan-made crystalФ (a) 0.1 0.происходит расщепление параболических зон в минизоны, разделенные малыми запрещенными энергетическими зонами и имеющие зону Бриллюэна, определяемую периодом сверхрешетки. Аналогичные идеи были сформулированы Л.В. Келдышем еще в 1962 г. [48] при рассмотрении периодического потенциала, создаваемого -0.1 -0.I (a) на поверхности полупроводника интенсивной ультразвуковой волной. В начале 70-х годов в Физико-техническом -0.2 -0.(b) институте Р. Казаринов и Р. Сурис теоретически рассмотрели прохождение тока в структурах со сверхрешетками [49]. Было показано, что протекание тока (c) -0.3 -0.определяется туннелированием через разделяющие ямы 77 K потенциальные барьеры. Авторами также были предсказаны очень важные физические явления: туннелирование -0.-1.носителей под действием электрического поля, когда -0.8 -0.4 0 4 8 Volts основное состояние одной ямы совпадает с возбужденным состоянием следующей ямы, и стимулированное Рис. 4. Вольт-амперная характеристика и характеристиизлучение, возникающее при туннелировании оптически ка проводимостьЦнапряжение двухбарьерной GaAsЦGaAlAsвозбужденных носителей из основного состояния одной структуры. Резонансные (a), (c) и нерезонансные (b) условия показаны стрелками на вставке (согласно Л.Л. Ченгу, Л. Есаки, ямы в возбужденное состояние соседней, расположенное Р. Тсу [54]).

ниже по энергии за счет действия приложенного электрического поля. Практически в то же время Л. Есаки и Р. Тсу независимо рассмотрели эффекты резонансного туннелирования в структурах со сверхрешетками [50].

можно изменять непрерывно и независимо друг от друга Впервые экспериментальные исследования структур такие фундаментальные параметры, как ширина запресо сверхрешетками были выполнены Л. Есаки и Р. Тсу на щенной зоны, постоянная решетки и т. д.

сверхрешетках в системе GaPxAs1-xЦGaAs, полученных В начале 70-х годов Л. Есаки с сотр. применили методом ГФЭ. В нашей лаборатории к тому времетехнологию МПЭ к системе A1GaAs [53] и в марте ни мы разработали первую многокамерную установку 1974 г. они представили работу по резонансному туни, как было упомянуто ранее, изготовили структуры нелированию [54]. Это была первая экспериментальная со сверхрешетками GaP0.3As0.7ЦGaAs с толщиной кадемонстрация новых физических свойств гетероструктур ждого из слоев 100 и общим количеством слоев, с квантовыми ямами. Были измерены зависимости тунравным 200 [17]. Наблюдаемые особенности вольтнельного тока и проводимости от приложенного напряамперных характеристик, их температурные зависимости жения в гетероструктуре GaAsЦGaAlAs с двойным барьеи эффект фотопроводимости были объяснены расщером (рис. 4) и обнаружены максимумы тока, связанные плением зоны проводимости за счет действия однос резонансным туннелированием. Позже в том же году мерного периодического потенциала сверхрешетки. Эти Л. Есаки и Л.Л. Ченг наблюдали эффект резонансного первые сверхрешетки являлись в то же время и первыми туннелирования в сверхрешетке [55]. Усиленное внисверхрешетками с напряженными слоями. Е. Блэксли и мание к резонансному туннелированию, очевидно, было Дж. Мэттьюз, работавшие с Л. Есаки и Р. Тсу в IBM, также связано с потенциальными возможностями примев середине 70-х годов достигли заметных успехов в нения этого эффекта в быстродействующей электронике.

выращивании напряженных сверхрешеток с очень низкой В конце 80-х годов для двойного резонансного туннельконцентрацией дефектов. Но только намного позднее, ного диода удалось достигнуть пикосекундного диапапосле теоретической работы Г. Осборна [51] из Sandia lab зона времени переключения; в резонансно-туннельных и выращивания первой высококачественной напряжендиодах на GaAs были получены осцилляции на частоте ной сверхрешетки GaAsЦIn0.2Ga0.8As M. Людовицем в 420 гГц при комнатной температуре.

Varian, Н. Голоньяку из Иллинойского Университета удаУтверждение о переходе к двумерному движению лось создать на основе этих структур лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре [52]. электронов в полевых транзисторах было высказано уже Стало понятно, что в сверхрешетках с напряженными достаточно давно [56], и для электронов, захваченных в слоями напряжение решетки является дополнительной инверсном слое, впервые проверено A.Б. Фаулером и др.

степенью свободы и, варьируя толщины и составы слоев, в 1966 г. [57] в экспериментах по магнитопроводимости.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № -Current (mA) Conductance (mho) История и будущее полупроводниковых гетероструктур Спектральные эффекты, обусловленные пространственным квантованием, наблюдались в тонких пленках висмута В.Н. Луцким и Л.А. Куликом также в 1968 г. [58].

Первая работа по модулированно-легированным сверхрешеткам [59], где было продемонстрировано увеличение подвижности по сравнению с объемными кристаллами, стимулировала развитие исследований по использованию двумерного электронного газа с высокой подвижностью для микроволнового усиления.

Во Франции и Японии практически одновременно на основе одиночной модулированно-легированной гетероструктуры n-AlGaAsЦn-GaAs были созданы новые типы транзисторов, получившие название TEGFET (полевые транзисторы с двухмерным электронным газом) во Франции [60] и HEMT(транзисторы с высокой подвижностью электронов Ч ВПЭТ) в Японии [61].

Рис. 5. Тонкий InGaAsP-слой в структуре Впервые лазерная генерация на квантовых ямах была InGaP / InGaAsP / InGaP / GaAs с квантовой ямой, выращенной получена Дж.П. ван дер Зилом и др. [62], но параметры методом ЖФЭ. Изображение получено методом ПЭМ с торца.

генерации значительно уступали средним ДГС лазерам.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |   ...   | 5 |    Книги по разным темам