Конструирование компонентов и элементов микроэлектроники : оптоэлектронные преобразователи излучений

№ 1634 

Кафедра технологии материалов электроники 

КОНСТРУИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ И 
ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 

Раздел: Оптоэлектронные преобразователи излучений 

Курс лекций  
для студентов направления 550700 и специальности 651400 

Под ред. Г.Д. Кузнецова 

Рекомендовано редакционно-издательским  
советом института

МОСКВА 2001 

УДК 621.383.8 
 
К65 

Авторы: Г.Д. Кузнецов, А.А. Образцов, В.П. Сушков, Г.П. Фурманов 

К89 Конструирование компонентов и элементов микроэлектроники: Оптоэлектронные преобразователи излучений: Курс лекций/ Г.Д. Кузнецов, А.А. Образцов, В.П. Сушков, Г.П. Фурманов; Под. ред. Г.Д. Кузнецова. – М.: МИСиС, 2001. – 63 с. 

В курсе лекций рассматриваются результаты работ по созданию бистабильных электронных и оптических элементов для систем обработки и 
хранения информации на основе полупроводниковых гетерокомпозиций, а 
также анализируются этапы разработки конструкций для создания однокристального преобразователя. Рассматривается возможность создания новых 
типов приборов оптоэлектроники. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специализации «Технология новых материалов», «Нетрадиционные экологически чистые источники и преобразователи энергии» и магистров, обучающихся по 
программе «Процессы микро- и нанотехнологии». 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС) 2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Оптоэлектронные преобразователи....................................................5 

1.1. Общие сведения.............................................................................5 
1.2. Приборы на основе элементарных полупроводников и 
соединений AIIIBV ..........................................................................5 

1.3. Приборы на основе гетероструктур AlGaAs, полученных 
методом жидкофазной эпитаксии................................................9 

1.4. Приборы на основе гетероструктур InGaAsP ...........................16 
1.5. Приборы на основе гетероструктур AlGaAs, полученных 
методом молекулярно-лучевой эпитаксии ...............................31 

2. Современные конструкции оптоэлектронных 
преобразователей...............................................................................41 

3. Электрооптические параметры современных 
оптоэлектронных преобразователей................................................47 

Заключение..............................................................................................53 
Список терминов и обозначений...........................................................54 
Литература ..............................................................................................55 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Интерес к бистабильным электронным и оптическим элементам сформировался в период появления первых цифровых схем и 
поддерживается на высоком уровне вплоть до настоящего времени, 
что обусловлено следующими причинами. 

Оптоэлектроника позволила увеличить скорость регистрации 
и обработки видеоинформации и сделала возможным скоростную 
параллельную обработку полного образа объекта, предоставив такие 
средства, как пространственное преобразование Фурье и корреляционная обработка. 

Новые уникальные возможности создания приборов для оптических систем обработки и хранения информации открывают полупроводниковые гетероструктуры, позволяющие преобразовывать 
длину волны излучения и усиливать входную оптическую мощность. 
На основе таких гетероструктур стало возможным создавать приборы для оптоэлектроники: 

– твердотельные стоксовские и антистоксовские преобразователи длины волны излучения; 

– твердотельные усилители оптической мощности, в том числе усилители света с высоким коэффициентом усиления оптической 
мощности при использовании эпитаксиальных гетерокомпозиций в 
системе InP – InGaAsP; 

– устройства для запоминания и хранения оптической информации; 

– различные интегральные устройства для обработки оптической информации. 

4 

1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 

1.1. Общие сведения 

Идея создания твердотельного полупроводникового прибора 
для преобразования длины волны излучения и (или) усиления оптической мощности возникла в 1960-х годах. Все дальнейшие попытки 
реализовать подобный прибор на практике сводились к поиску оптимальных полупроводниковых материалов и методов их получения. 

Были опробованы методы диффузионного легирования, жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) 
и испытаны такие полупроводниковые материалы и системы твердых 
растворов как Ge, InP, GaAs, InGaAsP и AlGaAs. В итоге все исследователи единодушно остановились на приборах, основой которых 
являются гетероструктуры (ГС) AlGaAs, полученные методом ЖФЭ. 
Далее рассматриваются и анализируются основные типы оптоэлектронных преобразователей. 

1.2. Приборы на основе 
элементарных полупроводников и 
соединений AIIIBV

Первые попытки реализации оптоэлектронных преобразователей описываются в работах [1 – 3]. 

В работе [1] рассматривается прибор на основе p–n–i–nструктуры GaAs. Прибор имел тиристорную вольт-амперную характеристику (ВАХ) и способен переходить из закрытого в открытое 
состояние под действием внешнего излучения; p–n-переход в структуре формируется либо последовательным эпитаксиальным наращиванием n- и p-слоев, либо диффузионным способом. Формирование iслоя осуществляется диффузией примеси через n-слой. В качестве 
примеси для создания полуизолирующего слоя использовались Cu, 
Fe или Cr, образующие глубокие энергетические уровни в GaAs. 
Внешнее электрическое поле прикладывалось к прибору таким образом, чтобы p–n–переход смещался в прямом направлении. Фотогене
5 

рация носителей заряда в i-области и излучательная рекомбинация их 
в p–n-переходе образовывали в структуре положительную оптическую обратную связь (ПООС), что приводило к появлению области 
отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ прибора. В работе приведены следующие основные параметры прибора: 

– напряжение темнового включения в пределах 10 ... 100 В; 
– ток включения в пределах 10 нА ... 10 мкА; 
– минимальный ток удержания в пределах 1 ... 10 мА. 
Авторами также проведен теоретический анализ принципа 
действия такой структуры. Несмотря на то, что в приведенном выше 
варианте структуры не обеспечивается преобразование длины волны 
внешнего излучения, в работе высказывается идея реализации такой 
возможности в результате изменения ширины запрещенной зоны полупроводника, в котором происходит излучательная рекомбинация 
носителей заряда. 

В работе [2] описывается прибор для преобразования длины 
волны инфракрасного излучения на основе n–p–n-гетероструктуры 
(ГС), которая изготавливалась путем эпитаксиального наращивания 
n-слоя на основе Ge на p-подложке на основе GaAs, с обратной стороны которой диффузией серы создавался n-слой на основе GaAs. 
Внешнее электрическое поле прикладывалось к прибору таким образом, чтобы p–n-переход на основе GaAs смещался в прямом направлении, а p–n-переход на основе Ge – GaAs смещался в обратном направлении. Преобразование длины волны осуществлялось в результате поглощения излучения на длине волны 1,5 мкм Ge-области обратносмещенного перехода и излучения на длине волны 0,9 мкм на 
p–n-переходе GaAs. Квантовая эффективность преобразования составляла 2,8·10–5 и принципиально ограничивалась низкой квантовой 
эффективностью электролюминесценции p–n-перехода на основе 
GaAs при низких токах инжекции. 

В работе [3] предложен метод преобразования инфракрасного 
излучения в видимое с помощью твердотельного прибора. Прибор 
представляет 
собой 
многослойную 
структуру 
конденсатор –
 фотодиод – излучатель, в которой на одну грань падает инфракрасное излучение, а с противоположной грани излучается видимый 
свет (рис. 1.1). 

6 

а                                                        б

Рис. 1.1. Многослойная структура конденсатор – фотодиод – излучатель: 
а – конструктивная схема; б – принципиальная электрическая схема 

Для того, чтобы получить эффективное преобразование излучения и иметь возможность регулировать контраст и чувствительность изображения, создаваемый ИК-приемником слабый ток накапливается и хранится в конденсаторе, а затем передается на излучатель света в виде коротких мощных импульсов тока. Возможность 
реализации такого прибора и достигаемая при этом эффективность 
преобразования излучения были продемонстрированы авторами при 
использовании диодного приемника на InSb и излучающего диода на 
GaAsP для преобразования инфракрасного излучения с длиной волны до 5,3 мкм в видимое с длиной волны от 0,6 мкм до 0,7 мкм. 

Конденсатор образован многослойной структурой металл –
 окисел – InSb. Излучение попадает на приемник через полупрозрачную металлическую пленку и слой окисла. За время прохождения 
отпирающих импульсов конденсатор заряжается и излучатель генерирует световые импульсы. В периодах между импульсами приемник оказывается смещенным в обратном направлении и, в зависимости от мощности падающего на него излучения, управляет временем 
разряда конденсатора через малое обратное сопротивление излучающего диода. Данный прибор позволил авторам преобразовать 
ИК-излучение с длиной волны до 5,3 мкм и с уровнем плотности оптической мощности 100 мкВт/см2 в свет, видимый невооруженным 
глазом. При этом полный квантовый выход инфракрасных фотонов в 
световые имел значение 10–4. 

7 

В работах [4 – 7] рассматриваются параметры приборов, полученных совмещением на одной ГС полупроводникового инжекционного лазера и управляющего элемента в последовательную электрическую цепь. В работе [5] в качестве управляющего элемента 
предложен биполярный транзистор, в работе [7] – полевой транзистор, а в работе [6] – гетерофототранзистор (ГФТ), который обладает 
коэффициентом усиления 100 … 400 в схеме с общим эмиттером и 
фоточувствительностью 75 А/Вт при токе 15 мА. Авторы предложили использовать такие приборы для усиления входного оптического 
излучения. 

В работе [8] представлен прибор для преобразования ИКизлучения с длиной волны 10,6 мкм в видимое излучение с длиной 
волны 0,53 ... 0,57 мкм. Принцип действия прибора основан на фотоионизации носителей заряда, находящихся на мелких уровнях 
(100 мэВ), образованных нейтральной примесью в светоизлучающем 
диоде. Максимальная квантовая эффективность преобразования длины волны излучения наблюдалась при температурах ниже 40 К и 
достигала величины 3,4·10–6. 

В работе [9] описывается метод жидкофазной эпитаксии 
(ЖФЭ), с помощью которого была получена многослойная p–n–p–nструктура на основе GaAs и исследованы ее основные параметры. 
Структура обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные 
параметры: 

– напряжение темнового включения – в пределах 10 ... 25 В; 
– ток утечки при этом напряжении до 100 мА; 
– минимальный ток удержания – порядка 500 мкА; 
– напряжение в точке удержания в интервале 1,0 … 1,1 В; 
– длина волны в максимуме спектра излучения структуры 940 нм; 

– внешний квантовый выход излучения структуры – 2,5 %. 
Время переключения структуры в открытое состояние 
уменьшается с увеличением напряжения в закрытом состоянии и 
достигает 250 нс. Также была исследована температурная зависимость параметров структуры в интервале температур 77 ... 300 К. 

8 

1.3. Приборы на основе 
гетероструктур AlGaAs, полученных 
методом жидкофазной эпитаксии 

Цикл работ [10 – 18] посвящен созданию преобразователя 
ИК-излучения на основе электролюминесцентного гетерофототиристора. Гетероструктура для гетерофототиристора получена методом 
жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в системе твердых растворов 
AlGaAs. На рис. 1.2 условно изображена энергетическая диаграмма 
исследуемых ГС, а также процессы генерации, переноса и рекомбинации носителей, разделенные во времени. 

Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма ГС 
(на основе AlGaAs из работы [15]) 

В зависимости от типа ГС выращивание проводилось на 
GaAs-подложках n- или p-типа проводимости. Проведенные авторами исследования методом тока, индуцированного электронным зондом на одиночных p–n-переходах в ГС на основе GaAs, полученных 
при тех же технологических режимах выращивания, что и исследуемые ГС, дали следующие значения диффузионных длин неосновных 
носителей в базовых областях ГС: Ln = 8 ... 9 мкм; Lp = 4 ... 5 мкм. 

Образцы для исследования имели площадь (1 ... 2)·10–3 см2 и 
обладали следующими основными параметрами: 

– напряжение темнового включения – в пределах 10 ... 150 В; 
– ток включения Iвкл – в пределах 0,5 ... 100 мкА; 

9 

– ток минимального удержания – Iвыкл в пределах 
0,05 ... 10 мА; 

– напряжение в точке удержания – в пределах 1,5 ... 5 В. 
Внешнее излучение вводилось в ГС со стороны широкозонной части и поглощалось непосредственно в центральном переходе, 
смещенном в обратном направлении. Область спектральной фоточувствительности 
ГС 
находилась 
в 
интервале 
длин 
волн 
690 ... 870 нм, соответствующих краю поглощения в узкозонном 
(GaAs) и широкозонном (AlGaAs) материале ГС. Оценка авторами 
величины 
интегральной чувствительности ГС дала 
значение 
0,8 ... 1,0 А/Вт. 

Для гетерофототиристора одной из основных характеристик 
является характеристика управления. Для этой характеристики важны следующие две величины входной оптической мощности, между 
которыми она и заключена: 

– минимальная величина мощности входного излучения Pмин, 
при которой прибор переходит в проводящее состояние; 

– величина мощности входного излучения, при которой наблюдается спрямление тиристорной ВАХ прибора. 

Эти две величины непосредственно связаны с током включения и удержания. В работе [15] авторы оценивают величину Pмин, исходя из значений параметров ГС, предполагая, что переключение 
наблюдается, когда фототок равен току включения: 

 
Pмин = (Iвкл·Eф) / (q·Q), 
(1.1) 

где Eф – энергия падающего света; 
q – заряд электрона; 
Q – квантовая эффективность ГС. 

Учитывая механизм усиления первичного фототока, авторы 
получают следующую формулу: 

 
Pмин = (Eф / q·Q)·{Iвкл / (1 – [k1 + k2]}, 
(1.2) 

где k1 и k2 – коэффициенты усиления по току составных триодов ГC. 

При токах включения Iвкл ~ 10–6 А значение Pмин составляет 
10–8 ... 10–9 Вт. Экспериментально зафиксированная авторами величина минимальной запускающей мощности в исследуемых образцах 
ГС равна Pмин = 10–7 ... 10–6 Вт. На рис. 1.3, a показана зависимость 
напряжения включения от интенсивности входного излучения для 
двух образцов ГС с различными Iвкл. Спрямление ВАХ ГС наблюдается при интенсивностях ~ 10–4 Вт. Измеренное авторами время 

10 

включения ГС не превышает 20 нс, а время восстановления составляет 60 ... 70 нс. 

а                                                         б 

Рис. 1.3. Зависимость напряжения включения Uвкл от мощности 
входного излучения Рвх для двух образцов ГС с различными токами 
включения (а) и зависимость мощности импульса излучения Римп, 
необходимой для включения ГС, от длительности импульса tимп при 
двух различных значениях напряжения на исследуемом образце (б) 

Приведенная на рис. 1.3, б зависимость мощности импульса 
излучения, необходимой для включения ГС, от длительности импульса при двух различных значениях напряжения на исследуемом 
образце ГС показывает, что энергия оптического импульса, необходимая для включения ГС, в одном случае имеет значение 1 ... 2 нДж, 
а в другом не превышает 40 нДж. 

Во включенном состоянии исследуемые образцы излучали на 
длине волны, определяемой шириной запрещенной зоны узкозонной 
части ГС. Авторы приводят следующие данные: величина внешнего 
квантового выхода при выводе излучения параллельно плоскости 
p–n-перехода без применения просветляющих покрытий составляет 
0,15 ... 0,20 %. Мощность излучения Pизл при токе 50 ... 100 мА составляет несколько милливатт. Таким образом, авторы делают вывод, что рассмотренные ГС обладают коэффициентом усиления 
Pизл/Pмин ~ 104, причем это значение можно довести до 107 ... 108, используя ГС в режиме генерации когерентного излучения. 

В работе [20] описан оптический способ ввода тока смещения 
в базу гетерофототранзистора (ГФТ) с помощью светоизлучающего 
диода (СИД). Структура была получена методом двухстадийной 

11