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