Переход

Вонудмный 1/ровень 1

дануумный •у уровень 2

Область 2 Обедненный Область ?

д/ лой I р

Несмещенный вонуушьш уровень

Область 2 N

Рис, 9,7. Электронные уровни в сечении N-p гетероструктуры: а - В равиовесни; б - при положительном смещении

И рост концентрации ловушечных уровней возникают уже при рассогласовании решеток порядка 0,1 %. Скорость рекомбинации s на гетеропереходе можно связать с изменением постоянной решеткн (Аа/ /а,,) приближенным соотношением

S [м/с1 л; (2-10*) (Да/оо).

(9.1.2)

Значительно большие, но весьма локализованные изменения (ютенциа-ла могут вызываться ловушечными уровнями. Серьезной технологической проблемой оказывается минимизация кристаллических napynie-ний в области перехода.

На рис. 9.5 показана схема энергетических уровней в идеальном резком гетеропереходе, образованном двумя полупроводниками, соответствующими рис. 9.2, когда оба они легированы до состояния р-типа и переход находится в равновесии. Различие энергетических

24.5

уровней Лес и Де приводит к выравниванию 1ютоков носителей через переход. При малых напряжениях смещения, которые не препятствуют потоку носителей, должен наблюдаться омический характер.

Равновесное состояние энергетических уровней, соответствующее п- Р переходу, представлено на рис. 9.6, с. Действие небольшого 1ю-ложительного смещения иллюстрируется рис. 9.6, б. Соответственно на рис. 9.7, а, б показаны энергетические уровни для р- N перехода в равновесном состоянии и при слабом положительном смещении. На всех этих диаграммах слева находится материал п-типа, а справа - /j-типа. Узкозонному материалу соответствует цифра 1, а широкозонному - цифра 2. В каждом случае пред1юлагается нормальная диодная характеристика.

9.1.2. Полезные свойства гетеропереходов

Можно назвать пять основных свойств гетеропереходов, наиболее 1юлезт1ых при создании высокоэффективных светодиодов и полупроводниковых лазеров.

А. Высокая эффективность инжекции. Из рис. 9.6 и 9.7 видно, что основные носители стремятся покинуть узкозонный материал (материал 1). Это приводит к уменьшению доли тока через переход, обусловленного неосновными носителями, инжектированными в материал 2. При отличии энергетических зазоров более чем на несколько кТ этот эффект гораздо существеннее, чем действие легирования, описываемое выражением (7.5.8).

Б. Ограничение неосновных носителей в двойной гетероструктуре. Ниже будет рассматриваться структура, которая играет значительную роль при разработке оптических источников. Два гетероперехода используются в ней для создания двух слоев узкозонного материала, раС1Юложенных между слоями широкозонного полупроводника. Схематично такая структура представлена на рис. 9.8. Она и называется двойной гетероструктурой. На рис. 9.9 1юказана соответствующая схема энергетических уровней. В области 1 устанавливается более высокая и однородная концентрация неосновных носителей и более высокая скорость рекомбинации. Это схематически иллюстрируется рис. 9.10.

Электрод

р-6аЯ5

Ф п или p-Gafis

Н-ВаЛШ

n-GaAs

\Элентрод

Контактный слой

Ограничивающий слой

Активный слой

Ограничивающий слой

Нантантный слой

Рис. 9.8. Схематическое изображение двойной гетероструктуры

Рис. 9.9. Электронные уровни в сечении N-n-P двойной гетероструктуры;

а - в равновесии; б - при положительном сме-м;ении

Обпасть 3 Н

Вакиимный цроЪень 3

JZ Область 1 .11 п

Область Z Р

(Вакуумныл дробень 2

Область 3 Область 1 1 Область 2

Вакуумный уровень 3

уровень 1

Ванцумный те/

Инн<екцин злентраноб

еУ [Вакуумный

у/тобень 2

•-~(дырки) - tv2

Инженцил дырок 5)

В. Улучшение омических контактов. Использование гетерострук-тур позволяет легко изготовить хорошие пизкоомные контакты. Это одна из причин использования пятислойных структур, показанных па рис. 9.8.

Г. Прозрачность широкозонного материала. Рекомбинационное излучение, зародившееся в узкозопном материале, не может возбудить зона-зонпый переход в широкозонном материале. В результате этого слои 2 и 3 на рис. 9.8 и 9.9 оказываются значительно более прозрачными для излучения из материала 1, чем сам этот материал. Использование этого эффекта обсуждается в § 9.3.

Д. Волноводный эффект. Поскольку показатели преломления материалов, образующих гетеропереход, различны, лучи внутри перехода .могут испытывать полное внутреннее отражение. В двойной гетеро-структуре (рис. 9.8), если показатель преломления материала 1 выше, чем материалов 2 и 3, рекомбинационное излучение, рожденное в материале 1, может распространяться вдоль слоя; испытывая многократные отражения, как в диэлектрическом волноводе. Этот эффект, иллю-