Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
составляет единицы микрометров.
Эффективность излучательной рекомбинации зависит от вида дисперсионных кривых E(p), характеризующих зависимость энергии E от квазиимпульса p в зоне проводимости и валентной зоне данного полупроводника. Если абсолютный минимум Ec0 = Ec (pe0) зоны проводимости и абсолютный максимум валентной зоны Ev0 = Ev (ph0) находят-
24
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
ся в одной и той же точке зоны Бриллюэна, т. е. pe0 = ph0, полупроводник называется прямозонным, в противном случае pe0 ф ph0 - непрямозонным (рис. 4.4). К прямозонным относятся такие материалы, как GaAs, AlGaAs, InGaAsP и др., к непрямозонным - Si, Ge, GaP и др.
Правила отбора при оптических переходах выражают законы сохранения энергии и импульса частиц в процессе рекомбинации. Квазиимпульс носителей заряда в полупроводнике ограничен значением жН/a,
где a - постоянная кристаллической решетки. Импульс же фотона равен 2пй/X, где X - длина волны излучения. Для AlGaAs-излучателей a »
0,56 нм, X » 0,85 мкм. Видно, что импульс фотона пренебрежимо мал по сравнению с импульсами электрона и дырки. Поэтому при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотона импульс электрона не должен изменяться. Такой переход называется прямым (рис. 4.4 а). Така как носители заряда накапливаются в абсолютных экстремумах зон, вероятность рекомбинации оказывается значительной только в прямозонных полупроводниках, где экстремумы зон соответствуют одному и тому же значению квазиимпульса.
В непрямозонном полупроводнике переход электрона из минимума зоны проводимости в максимум валентной зоны (рис. 4.4 б, процесс 1) запрещен правилом отбора по импульсу. Поэтому, кроме электрона, дырки и фотона, в процессе рекомбинации должна участвовать четвертая частица, способная компенсировать изменение импульса при переходе. Роль такой частицы может играть фонон - квант тепловых колебаний кристаллической решетки полупроводника. Однако процесс, в кото-
а
б
V Ec 0
Рис. 4.4. Дисперсионные кривые E(p) и механизмы излучательных переходов в прямозонных (а) и непрямозонных (б) полупроводниках
25
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
ром участвуют четыре или более частиц, менее вероятен, чем рекомбинация электрона и дырки без участия фонона. Поэтому эффективность междузонной излучательной рекомбинации в непрямозонных полупроводниках на несколько порядков ниже, чем в прямозонных.
Вероятность оптических переходов можно повысить, вводя в полупроводник примеси, играющие роль центров излучения. Причина повышения эффективности излучения заключается в следующем. При захвате электрона из зоны проводимости на уровень примеси неопределенность его пространственного положения Дх резко уменьшается, так как электрон локализуется вблизи примесного атома. В соответствии с соотношением неопределенностей Гейзенберга Дх • Дрх > h, в той же степени
возрастает неопределенность импульса электрона Дрх. В результате, значения импульса электрона могут захватывать точку, где находится вершина валентной зоны. Таким образом, появляется возможность прямого перехода электрона с уровня примеси Ed в валентную зону, при котором правило отбора по импульсу легко выполняется.
Излучение в гетероструктурах. Мы рассмотрели инжекционную люминесценцию в структурах с гомопереходом, т. е. с р-п-переходом в однородном полупроводнике. Дополнительные возможности открывают структуры, в которых формируется контакт между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Переход между двумя различными полупроводниками в одном и том же кристалле называется гетеропереходом, а структура с одним или более гетеропереходами - гетероструктурой. Если полупроводники имеют одинаковый тип проводимости, гетеропереход называется изотипным, если разный - анизотип-ным. Тип проводимости вещества с большей шириной запрещенной зоны обозначают прописными буквами N или P, с меньшей - строчными п или р. Гетеропереход называется резким, если его ширина равна нескольким межатомным расстояниям, и плавным, если его ширина больше диффузионной длины неосновных носителей заряда.
Для получения качественных гетеропереходов необходимы вещества с минимальной разницей в постоянных кристаллической решетки, так как даже небольшие различия в них приводят к образованию дефектов и к ухудшению характеристик гетероперехода. На рубеже 1960
- 1970-х годов Ж. И. Алферов с сотрудниками получили близкие к идеальным гетероструктуры в системе GaAs-AlGaAs.
Рассмотрим свойства анизотипного N-р-гетероперехода (рис. 4.5). При построении энергетической диаграммы исходными являются разрывы зон ДЕС и ДЕУ и постоянство уровня Ферми по всей структуре. Как видно из диаграммы, потенциальные барьеры для электронов и
26
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
дырок на N-p-гетеропереходе различны, в то время как на обычном p-n-переходе они одинаковы (рис. 4.3). Это означает, что в гетероструктуре должна наблюдаться односторонняя инжекция электронов из широкозонного N-слоя в узкозонный р-слой.
