«Ж. И. Алферов. Гетеропереходы в оптоэлектронике»

МБОУ «Гимназия № 13»

ПРОЕКТ

«Ж. И. Алферов. Гетеропереходы в оптоэлектронике»

Выполнил: ученик 9 – Б кл.

Мазур Даниил

Руководитель: Доценко А. А.

Учитель физики

МБОУ «Гимназия № 13»

Новомосковск - 2012

Содержание

1. Введение …………………………………………………………..     3
2. Биография …………………………………………………………     4
3. Полупроводниковые гетероструктуры…………………………..     6
4. Получение гетероструктуры …………………………………….      8
5. Применение гетеропереходов:

1. Гетеролазеры …………………………………………………..   10
2. Гетеросветодиоды ……………………………………………..   11
3. Фотодиоды ……………………………………………………..  12
4. Фототранзисторы ………………………………………………  13
5. Фототиристоры …………………………………………………  14
6. Преобразователи ИК – излучения …………………………….   15

6. Заключение ………………………………………………………...   16
7. Приложение 1 ………………………………………………………  18
8. Приложение 2 ………………………………………………………  20
9. Список литературы ………………………………………………..   23

«Бороться и искать, найти и не сдаваться».

В. Каверин.

     Свою работу я хочу посвятить одному из выдающихся ученых – нашему современнику Жоресу Ивановичу Алферову (приложение 1 рис.1). Просматривая материал, я наткнулся на одну его фразу, которая и вдохновила меня сделать этот проект: «Десятилетним мальчиком я прочитал замечательную книгу Вениамина Каверина «Два капитана». И всю последующую жизнь я следовал принципу ее главного героя Сани Григорьева: «Бороться и искать, найти и не сдаваться». Правда, очень важно при этом понимать, за что ты берешься».

     Вся жизнь Алферова по своей сути – борьба: отсутствие нормальных бытовых условий, не понимание со стороны близких людей (первой жены), защита кандидатской, докторской, постоянные исследования, работа и только работа, т.к. американские ученые нога в ногу приближались к тем же целям. Наконец, к Алферову приходит международное призвание, а 10 октября 2000 года информационные агентства мира распространили сообщение: «Шведская Королевская Академия наук присудила Нобелевскую премию по физике (приложение 1 рис. 2 и 3) за фундаментальные работы по информационным и коммуникационным технологиям. Премия разделена на разные части. Четвертая часть присуждена Ж. И. Алферову».

     Надо сказать, весьма символично, что нобелевский комитет под занавес ХХ счел необходимым присудить премию «за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий». Именно в этой области человеческой деятельности в последние десятилетия происходят революционные изменения. И очевидна заслуга исследователей, в том числе и Алферова, работающих в области информационных и коммуникационных технологий: компьютеры, Интернет, «новая экономика», мобильники, проигрыватели СД, декодеры товарных ярлыков и т.д., т.е.  большое количество всяких милых вещиц, сделавших современный мир мобильным и удобным. Однако, когда Алферову была присуждена Нобелевская премия, со стороны ученого мира, начали раздаваться голоса о том, что, дескать, до сих пор Нобелевские премии обычно присуждались за очень крупные, фундаментальные научные исследования, а тут премию присудили лишь за развитие новых технологий. Но, надо помнить, что Нобель учредил свою премию в первую очередь как финансовую поддержку перспективным и активно работающим ученым, а не как пенсию для выдающихся деятелей, оставивших научные исследования        . И статус лауреата Нобелевской премии определяется не столько значительной суммой денег, которую он получает, сколько высочайшей престижностью этой награды.   А, Нобелевская премия 2000-го года как раз и присуждена за фундаментальные научные исследования, оставившие базу современных информационных технологий.

     Таким образом, Жорес Алфёров, крупнейшая звезда на российском научном небосклоне, фигура, вызывающая противоречивые эмоции, лауреат и депутат, брат Маркса (приложение 1 рис. 4).

     Начнём с Маркса. Отец Алфёрова, коммунист, назвал своих сыновей Жоресом и Марксом. Жоресом в честь Жана Жореса, основателя газеты L'Humanite  и лидера французской социалистической партии,  Марксом –  понятно, что в честь неудачного могильщика капитализма.

     Жорес Иванович Алфёров родился в белорусском городе Витебске 15 марта 1930 года. Его родители, Иван Карпович и Анна Владимировна (приложение 1 рис. 5) - белорус и еврейка, сами происходили из местечка Чашники Витебской области. В 1912 году восемнадцатилетний Иван Карпович, отец Алферова, приехал в Санкт-Петербург и два года работал грузчиком в порту, разнорабочим на конвертной фабрике и рабочим на заводе "Старый Лесснер" (впоследствии - завод имени Карла Маркса). В годы Первой мировой войны отец Алферова был гусаром, унтер-офицером лейб-гвардии, дважды был награжден Георгиевским крестом. В сентябре 1917 года он вступил в РСДРП(б) и во время Гражданской войны командовал кавалерийским полком в Красной Армии, а после ее окончания перешел на хозяйственную работу. Довоенные детские годы Алферова прошли в Сталинграде, Новосибирске, Барнауле и Сясьстрое (городе под Ленинградом), где работал его отец после того, как в 1935 году закончил Промакадемию. После 1935 года семья переехала на Урал. В городе Туринске Алферов учился в школе с пятого по восьмой классы.

     Начало Великой Отечественной войны совпало с назначением отца Алферова директором завода по производству пороховой целлюлозы, расположенного на Урале - в городе Туринске Свердловской области. Там в годы войны Алферов учился в местной школе, а летом работал на заводе. Старший брат Алферова сначала поступил на энергетический факультет Уральского индустриального института, но уже через несколько недель ушел на фронт. В 1944 году 20-летний гвардии младший лейтенант Маркс Алферов погиб в ходе Корсунь-Шевченковской операции.

     Сразу после окончания войны отец получил новое назначение, и семья переехала в Минск. В разрушенном войной городе Алферов продолжил обучение в единственной работавшей русской мужской средней школе № 42. Там благодаря урокам Якова Борисовича Мельцерзона (приложение 1 рис. 6) он увлекся физикой. Окончив школу с золотой медалью, Алферов, по совету учителя, поехал в Ленинград и без вступительных экзаменов был зачислен на факультет электронной техники Ленинградского электротехнического института имени В.И. Ульянова (ЛЭТИ).

 В 1950 году третьекурсник Алферов, специализировавшийся на электровакуумной технике, стал работать в вакуумной лаборатории профессора Б. П. Козырева (приложение 1 рис. 7). Его научным руководителем стала Наталия Николаевна Созина – специалист по полупроводниковым фотоприемникам в инфракрасной области спектра, благодаря которой он занялся экспериментальным исследованием полупроводников. Под руководством Созиной Алферов выполнил дипломную работу, посвященную получению пленок и исследованию фотопроводимости теллурида висмута (BiTe), но в декабре 1952 года во время распределения студентов своей кафедре в ЛЭТИ он предпочел Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ). Физтехом более тридцати лет руководил его основатель Абрам Федорович Иоффе, чья монография "Основные представления современной физики" была настольной книгой для Алферова. Позже Алферов узнал, что за два месяца до его распределения Иоффе ушел из Физтеха и возглавил самостоятельную лабораторию физико-математических наук АН СССР, которая в 1954 году была преобразована в Институт полупроводников АН СССР (ИПАН), куда вместе с ним ушла почти вся "полупроводниковая" элита советских ученых.

В ЛФТИ Алферов стал младшим научным сотрудником в лаборатории В. М. Тучкевича и принимал участие в разработке первых отечественных транзисторов и силовых германиевых приборов. В конце 1940-х годов американские ученые создали первый точечный транзистор и транзистор с p-n-переходами, фактически лишь продемонстрировав возможность использования транзисторного эффекта. В ноябре 1952 года американцы опубликовали сообщение о способе, который годился для промышленного производства транзисторов, а уже 5 марта 1953 года Алферов сделал первый надежно работающий транзистор. В 1959 году за работы по заказам ВМФ СССР он получил свою первую правительственную награду - "Знак почета". В 1961 году Алферов защитил диссертацию, посвященную разработке и исследованию мощных германиевых и кремниевых выпрямителей, и получил ученую степень кандидата технических наук. При этом поданная заявка на авторское свидетельство была засекречена. Гриф секретности был снят лишь после публикации аналогичного предложения Герберта Кремера в США, а заявка Алферова была допущена к публикации еще позже.

     После этого перед Ж. И. Алфёровым встал вопрос о выборе дальнейшего направления исследований. Младший научный сотрудник Физтеха был упрямым, целеустремленным и честолюбивым, а накопленный опыт позволял ему перейти к разработке собственной темы. В те годы была высказана идея использования в полупроводниковой технике гетеропереходов. Создание совершенных структур на их основе могло привести к качественному скачку в физике и технике. Алферов понимал: тонкий физический эксперимент – дело увлекательное, но невероятно трудоемкое. Успех достается не просто талантливому – успех достается талантливому и трудолюбивому. Жорес Иванович заканчивал работу далеко за полночь.

     Основная научная деятельность Алферова пришлась на шестидесятые и семидесятые годы, которые были, весьма, своеобразным временем и в Советском Союзе и в мире в целом. Холодная война. Государство понимало, что без развитой науки в современном мире безопасности быть не может. Финансирование научных исследований было в то время самым высоким в истории России. И ученым, несмотря ни на что, давали возможность регулярно знакомиться с научными достижениями зарубежных коллег, да и общаться они могли – на симпозиумах, конгрессах, конференциях. При всем этом жизнь советского ученого трудно было назвать обеспеченной и комфортной, но ученый физик имел возможность работать, творить на благо Родины,  и не думать о куске хлеба.

     В эти же годы к Алферову пришло уважение все более широкого круга коллег. Его необычное имя приобретало международную известность. В 1964 году он впервые попадает во Францию на международную конференцию по физике полупроводников. В том же году статус Алферова в Физтехе повышается: он становится старшим научным сотрудником. Спустя три года он возглавляет собственную лабораторию, в которой продолжались исследоваться полупроводники. В результате появились полупроводниковые усилители, светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоэлементы, солнечные батареи.

     Исследования Жореса Ивановича Алферова получали все более и более широкое признание. Уважение коллег, авторитет в науке. Может показаться, не жизнь, а безупречное триумфальное шествие человека, которому все возможное и невозможное судьба преподнесла на блюдечке с золотой каемочкой! Так ли это?

     На самом деле ученым, особенно тем, кто увлечен и поглощен своей работой, а именно таковым является Алферов, есть кое-что недоступное в жизни обычного человека. Ученый никогда не возвращается домой до конца! Для Жореса Ивановича работа – это страсть, и отречение от нее – смерти подобно, и невозможность поработать это как невозможность поесть! Очень жаль, что его увлеченность работой не могла понять, разделить и принять его первая жена, но, тем не менее, жизнь продолжалась, и Жорес Иванович встретил женщину – жену, друга и соратника. Несколько лет Тамара Георгиевна (приложение 1 рис. 8), работавшая на одном из предприятий, занимающихся разработкой космической техники, разрывалась между Ленинградом и Москвой пока не поняла, что больше не может расстаться с Физтехом. У Жореса Ивановича, наконец – то полноценная семья. О чем может мечтать еще ученый – мужчина? Конечно – же, о детях! В 1972 году в их семье появляется сын Иван, а сам ученый становится членом – корреспондентом Академии наук СССР.

     К Алферову, наконец, пришло международное признание! Он был избран почетным членом тринадцати академий  и научных обществ в семи странах мира. В 1979 году коллеги избрали его действительным членом Академии наук СССР (РАН). Уже одиннадцать лет он является вице-президентом и возглавляет ее Санкт-Петербургское отделение.

     В настоящее время Ж. И. Алферов депутат Государственной Думы Российской Федерации (приложение 1 рис. 9). Его главная цель – помочь образованию и науке. Академик Алферов пришел в Думу затем, чтобы избавить молодых ученых России от страшного выбора – потерять Родину или потерять себя. Для этого при Физико-технологическом институте имени А. Ф. Иоффе создана школа. Именно ей Алферов передал часть своей премии, чтобы было кому работать в Физтехе.

     В чем же состоит суть работы Алферова? За что же его так высоко оценили? По словам Германа Гриммайса, члена Королевской Академии наук Швеции: «без Алферова невозможно было бы передавать информацию через спутники». Создание им совершенных структур привело к качественному скачку в физике и технике. Получение сверхчистых полупроводников стало очень важным этапом на пути создания новых полупроводников. При изучении эпитаксии обнаружилось, что этот процесс возможен не только при кристаллизации одного вещества. Подложка и нарастающий кристалл могут иметь различную природу. Меняя параметр одной из решеток (например, вводя примеси), можно управлять ее свойствами. Вот тут-то и прозвучало

новое слово – гетеропереход.

     Гетеропереходом называется соединение двух различных по химическому составу полупроводников, полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами именуется гетероструктурой, а гетеропара - это соединения, на основе которых создается гетероструктура. Таким образом, гетероструктура представляет собой кристалл, в котором меняется химический состав и, соответственно, физические свойства. В природе гетероструктур не существует, поэтому их иногда называют кристаллами, сделанными человеком (man-made crystals), противопоставляя гомоструктурам - кристаллам, "созданным Богом" (God-made crystals). Одной из причин обращения к гетеропереходам является возможность получить высокоэффективную инжекцию неосновных носителей в узкозонный полупроводник, т.е. суперинжекция, заключающаяся в том,  что  концентрация  инжектированных  в  базу носителей может на несколько порядков превысить  их  равновесное значение в эмиттерной области (приложение 2 рис. 1). Однако во многих журнальных публикациях и на различных научных конференциях неоднократно говорилось о бесперспективности проведения работ в этом направлении, т. к. многочисленные попытки реализовать приборы на гетеропереходах не приходили к практическим результатам. Причина неудач крылась в трудности создания близкого к идеальному перехода, выявлении и получении необходимых гетеропар.

     Дело в том, что контакт между различными материалами, с р- и п-типами электронной проводимости, не может быть простым механическим, так называемым омическим контактом: различные полупроводниковые материалы должны соединяться между собой на атомном уровне, образуя единую кристаллическую решетку.

     Решить же задачу тесного сращивания разнородных материалов долгое время никому не удавалось, потому что не удавалось подобрать полупроводники с одинаковыми размерами элементарных ячеек кристаллических решеток.

     Но это не остановило Жореса Ивановича. В основу технологических исследований им были положены методы, позволяющие управлять такими фундаментальными параметрами полупроводника, как ширина запрещенной зоны, величина электронного сродства, эффективная масса носителей тока, показатель преломления и т.д. внутри единого монокристалла.

     Для идеального гетероперехода (приложение 2 рис. 2) подходили GaAs и AlAs, но последний почти мгновенно на воздухе окислялся и  о его практическом применении, казалось бы, не могло быть  и  речи. Однако выяснилось, что арсенид алюминия устойчив в виде так называемого твердого раствора в металлическом галлии. Так было преодолено главное препятствие, лежащее на пути создания работоспособных  гетероструктур.

     Основным методом, позволяющим получать идеальные гетеропереходы, служит так называемая жидкостная эпитаксия - послойное наращивание кристаллической решетки из раствора-расплава. Суть ее заключается в том, что в кварцевую трубку в токе водорода помещают графитовую кассету с кристаллической подложкой, рядом помещают металл-растворитель (галлий, который плавится притемпературе всего 28°С),  и  в него вводят арсенид галлия  и  алюминий (приложение 2 рис.3); в результате на подложке происходит кристаллизация (приложение 3 рис.4), в результате которой и  удается получать гетеропереходы толщиной от сотен ангстрем (1 ангстрем - одна стомиллионная доля сантиметра) до десятков микрометров, а на их основе - сложнейшие многослойные  гетероструктуры  - например, для преобразования инфракрасного (ИК)  излучения  в видимое (приложение 2 рис. 5).

     Так определилась широко известная теперь в мире микроэлектроники гетеропара GaAs/AIGaAs.  Ж. И. Алфёров с сотрудниками не только создали в системе AlAs – GaAs гетероструктуры, близкие по своим свойствам к идеальной модели, но и первый в мире полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре.

      Открытие Ж. И. Алфёровым идеальных гетеропереходов и новых физических явлений – «суперинжекции», электронного и оптического ограничения в гетероструктурах – позволило также кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и создать принципиально новые, особенно перспективные для применения в оптической и квантовой электронике.

С использованием разработанной Ж. И. Алфёровым технологии высокоэффективных, радиационностойких солнечныхэлементов на основе AIGaAs/GaAs  гетероструктур в России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции «Мир» (приложение 2 рис. 6), проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.

     На основе предложенных Ж. И. Алфёровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

     Итак,  гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную наподложке  слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны. Для роста используют много методов, среди которых можно выделить метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Данный метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до атомного монослоя).

     Рассмотрим работу установки (приложение 2 рис. 7) в Физико-техническом институт имени А. Ф. Иоффе.  

     Рост кристалла происходит в вакуумной камере, причем вакуум здесь более высокий, чем в космосе. Постоянно работающие насосы накачивают жидкий азот, охлаждающий камеру. 

     Заглянуть внутрь и увидеть, как атомы падают на подложку, конечно, невозможно, но ученые знают, что это так. Работа идет круглосуточно, за сутки обычно выращивают от двух до восьми новых структур. Когда структура "готова", пластину диаметром от 5 до 7,5 сантиметра, на которой она выращивалась, отдают на измерение и исследование полученных свойств. 
    Подложка – это достаточно объемный кристалл, абсолютно одинаковый по толщине. Он служит затравкой, на которой выращиваются полупроводниковые гетероструктуры. Такая подложка устанавливается на держатель, который погружается в вакуумный шлюз. Он откачивается, подложка вместе с держателем передается в другую камеру, потом еще в одну – там уже высокий вакуум, а оттуда переходит в ростовую камеру. Здесь с помощью манипуляторов открываются вакуумные затворы и подложка ставится на манипулятор ростовой камеры. Затворы закрываются, подложка поворачивается "лицом" к молекулярным источникам, и начинается процесс роста.

     Молекулярных источников несколько, можно увидеть лишь их внешнюю оболочку, сами они находятся глубоко внутри, в вакууме. Электрические выводы нагревают эти источники до нужной температуры. Когда металл или какой-то другой элемент нагревается, над его поверхностью образуется "газ" атомов и молекул, летящих в сторону подложки. Прервать этот поток позволяют электрически управляемые заслонки. Падая на подложку, служащую своего рода механическим держателем, атомы или молекулы встраиваются в кристаллическую структуру и как бы ее наращивают. Но в отличие от самой подложки – заготовки, которая остается неизменной, в выращиваемой структуре можно менять химический состав ее слоев, добавляя примеси и делая эти слои электрически активными. Таким образом, мы управляем самой кристаллической и электрической структурой выращиваемых слоев. Толщина подложки 400 микрон, толщина активного слоя выращенной полупроводниковой гетероструктуры всего 2 микрона, но именно эти 2 микрона и делают ее прибором, конечно, если полученный результат удовлетворит всем заданным параметрам. Весь процесс управляется компьютером, задача человека – написать нужную программу и контролировать температурный режим, работу заслонок и т.д. 
    В лаборатории Алферова есть и другие установки молекулярно-пучковой эпитаксии, на них исследуются гетероструктуры на основе кремния (приложение 2 рис. 8). Кремний, как известно, - основной материал для производства интегральных схем. А, в рассматриваемой нами лаборатории, ученые занимаются полупроводниками на основе арсенида галлия, так называемыми прямозонными полупроводниками, которые могут быть использованы в светоизлучающих приборах. Арсенид галлия и ему подобные полупроводниковые материалы – основа оптоэлектроники, то есть лазерных коммуникаций и фотоприемников, фотоприема лазерных коммуникаций. 
     Таким образом, наиболее важное применение гетероструктур – оптоэлектронные приборы: гетеролазеры, гетеросветодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, преобразователи ИК-излучения.

    Гетеролазеры – лазеры на основе гетеропереходов, имеющие высокий КПД. В этих лазерах для создания переходов используются полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны.

     Полупроводниковая структура гетеролазеров (приложение 2 рис. 9,a) состоит из области GaAs n-типа, узкой области GaAs p-типа и области тройного соединения AlxGа1-xAs p-типа. Активной является средняя область, где создается инверсия населенностей. На границе средней и правой областей образуется потенциальный барьер, который ограничивает длину свободного пробега электронов, инжектированных из левой области, и тем самым повышает эффективность образования вынужденного излучения. Кроме того, одновременно уменьшается поглощение света в правой неактивной области, так как из-за различия в коэффициентах преломления в средней и правой областях (приложение 2 рис. 9, б) наблюдается полное внутреннее отражение света на их границе (волноводный эффект). В результате этих процессов удалось при T=300 К понизить плотность порогового тока от 20—100 кА/см2 до 7— 10 кА/см2 и увеличить КПД до 10%.  В нашей стране были разработаны также гетеролазеры с полным внутренним отражением света с обеих сторон от активного слоя, лазеры с двойной гетероструктурой, или ДГС-лазеры. В этих лазерах удалось существенно понизить плотность порогового тока и получить большой КПД, что позволило при комнатной температуре осуществить режим непрерывного излучения, который был ранее возможен только при температуре жидкого азота. В ДГС-лазерах на основе GaAs-GaAlAs при комнатной температуре получена плотность порогового тока менее 1 кА/см2.

     Отличительной особенностью гетеролазеров является возможность изготовления лазеров с различной длиной волны излучения изменением концентрации примесного алюминия. Например, изменение последней в пределах от 0 до 30% вызывает изменение длины волны от 0,9 до 0,68 мкм. Другими особенностями гетеролазеров являются высокий КПД, удобство возбуждения, малые габариты.

     Крупным достижением лазерной техники последних лет явилось создание гетеролазера с распределенной обратной связью. В таком полупроводниковом лазере торцевые зеркальные поверхности, образующие оптический резонатор, заменены дифракционной решеткой, которая, как известно, на определенных частотах полностью отражает падающее на нее излучение.

     Повышения мощности излучения инжекционных лазеров добиваются изготовлением набора (решеток) лазерных диодов. Например, при комнатной температуре получена импульсная мощность от 10 до 1000 Вт при частоте следования импульсов до 1 кГц и длительности импульсов 70...200 нс. При этом число лазерных диодов в решетке колеблется от 10 до 60.

     Одной из областей применения полупроводниковых лазеров является система оптической связи и обработки информации. Для применения в волоконно-оптических линиях связи разрабатываются полупроводниковые лазеры специальной конструкции для эффективного согласования лазера с волоконной линией.  В открытых линиях связи используются обычные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах в тройных (GaAlAs) и четверных (GaInAsP) системах. Лазеры работают при комнатной температуре в интервале длин волн от 0,65 до 1,6 мкм. 

     Необходимо отметить, использование лазеров в научных исследованиях. Лазеры применяют в медицине. Применение лазеров в логических элементах позволило создать быстродействующие ЭВМ.

          Светодиод      представляет     собой     полупроводниковый   диод    с

p-n-переходом, протекание тока через который  вызывает  интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиода основана на  спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей  заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Для  светодиодов характерны  два  механизма  излучательной  рекомбинации: межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок  в  прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона-зона);  рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов,  связанных  с  примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных  полупроводниках.

     Как и в случае лазеров, наилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды на основе  гетероструктур. Введение в них дополнительного переходного слоя с  плавно  изменяющимся  значением, обусловлено технологическими задачами: благодаря  постепенному изменению состава меньше сказываются напряжения из-за несогласованности кристаллографических  постоянных.  Укажем  также,  что p-области  представляют собой многослойные образования, причем каждый из слоев характеризуется не только своим значением запрещенной зоны, но также видом и концентрацией  легирующей примеси. (Приложение 2 рис. 10)

     Если в двухслойной гетероструктуре широкозонные "обкладки" активной области  сделать достаточно толстыми (или хотя бы одну из них), то подложку  можно удалить (стравить), и тогда лучи света, распространяющиеся  вправо, не будут поглощены, а после отражения от нижней границы кристалла вновь направятся к левой  поверхности  и  при  попадании  в апертурный угол выйдут наружу.  Процесс  отражения  от  границ  вглубь кристалла может повторяться многократно до  тех  пор,  пока световой луч не придет под нужным углом к левой поверхности.  При этом нежелательного поглощения излучения в широкозонных  областях не происходит. В таких многопроходных структурах с удаленной подложкой коэффициент вывода излучения может достигать десятков процентов.

     Сегодня светодиоды представляют собой высокоэффективные источники света, а еще совсем недавно были всего лишь устройствами индикации.

     Фотодиод – это фотоприемник, представляющий  собой  полупроводниковый диод, сконструированный и  оптимизированный  так,  что его активная структура оказывается способной эффективно воспринимать оптическое излучение. Практически для этого корпус  фотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла.  Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих  элементов (непрозрачных металлических  электродов),  сводятся  до  минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия и т.п.

     Гетерофотодиоды (приложение 2 рис. 11) представляют собой одну из наиболее бурно развивающихся разновидностей оптоэлектронных фотоприемников. В конструкции любого гетерофотодиода выделяются, прежде всего, две области: "широкозонное окно" и активный фоточувствительный слой. Широкозонное окно без потерь пропускает излучение к активной области и в то же время является контактным слоем с малым последовательным сопротивлением. Процессы в активной области – поглощение излучения, накопление (собирание) генерируемых носителей заряда - в значительной степени протекают так же, как и в кремниевой p-i-n-структуре. Важное отличие заключается в том, что выбором подходящего полупроводникового соединения фоточувствительного слоя удается обеспечить полное поглощение излучения (в том числе и в ИК-области) при толщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что для Si-p-i-n-структур в длинноволновой области принципиально недостижимо: для полного поглощения излучения с l~1,06 мкм толщина i-области должна составлять около 300 мкм, а рабочее напряжение – сотни вольт. Таким образом, гетерофотодиоды в некотором роде эквивалент кремниевых р-i-n-диодов в длинноволновой области, хотя их значимость этим не исчерпывается.

        Свобода выбора материала обусловливает и возможность достижения повышенных значений фото-ЭДС, высокого значения КПД  преобразования  (до 100%), меньших, чем у кремния, темновых токов и  шумов,  расширения температурного диапазона, повышения  устойчивости  к  воздействию проникающей радиации.

Важнейшим достоинством гетерофотодиодов является их физическая и технологическая совместимость с устройствами  интегральной оптики. Несомненно, полезным может оказаться  то,  что  они  могут быть изготовлены на одном кристалле с излучателем и  микросхемой, т. е. открывается возможность создания  универсальных  монолитных оптоэлектронных элементов дуплексной связи. Гетерофотодиоды  значительно сложнее в изготовлении, чем кремниевые, однако  имеющиеся технологические трудности постепенно преодолеваются.  Основные материалы гетерофотодиодов - GaAlAs  для l~0,85  мкм  и  InGaAsP, InGaAs для l=1,3... 1,55 мкм. Гетерофотодиоды работают и в режиме лавинного умножения, причем благодаря малой  толщине  активной области рабочее напряжение может составлять десятки  вольт.  Препятствием на пути их развития  является  то  обстоятельство,  что практически для всех  соединений  А3В5  коэффициенты  размножения электронов и дырок приблизительно одинаковы это ведет к повышенному уровню шумов. Исключение  составляет  GaSb,  однако этот материал пока все еще характеризуется  очень  низким  качеством. Поэтому широкое развитие лавинных гетерофотодиодов  маловероятно, их альтернативой являются  интегрированные  структуры,  в которых на одном кристалле полупроводника A3B5 объединены гетерофотодиод и МДП - транзистор.  Быстродействие   таких   структур   может  быть  менее 0,1 нс при внутреннем усилении около 100.

        Создание гетеролавинных фотодиодов (ЛФД) представляется возможным благодаря  развитию техники сверхрешеток. 

     Типичное применение ЛФД — лазерные дальномеры и волоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц. В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов лавинных светодиодов.

     Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами, которого являются наличие механизмов встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего – управляющего – электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их примернения в основном устройствами автоматики  и управления  силовыми  цепями.  Они  изготавливаются   практически только на кремнии.

     Гетерофототранзисторы (приложение 2 рис. 12)  основаны  на  принципе  действия обычного биполярного фототранзистора, но в них  используются и все достоинства гетероструктур:  широкозонные  эмиттерное  и коллекторное окна (что позволяет создавать конструкции с прямой и обратной – через толстый коллекторный слой – засветкой);  тонкая фотоактивная базовая область, полностью поглощающая  воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующих  просачиванию основных носителей базы в коллектор и накоплению их в  нем. Все это ведет к тому, что гетерофототранзисторы  могут  иметь  не только высокую чувствительность в любом заданном участке спектра, но и очень высокое быстродействие  (в  нано-  и  субнаносекундном диапазоне). Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (так как вывод от узкой базовой  области сделать затруднительно),  что  лишает  их  схемотехнической гибкости, присущей транзисторам.  По  мере  усовершенствования  и промышленного развития эти приборы станут "соперниками" ЛФД,  выгодно отличаясь от них низким питающим  напряжением,  отсутствием жестких требований к стабилизации режима работы  и  другими  достоинствами, присущими транзисторам.

     Основная область применения фототранзисторов – приемники оптического излучения – устройства, предназначенные для обнаружения или измерения оптического излучения и основанные на преобразовании энергии излучения в другие виды энергии (тепловую, механическую, электрическую и т. д.), более удобные для непосредственного измерения. 

    Фототиристор, тиристор, перевод которого в состояние с высокой проводимостью осуществляется световым воздействием. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются парные носители заряда (электроны и дырки), которые разделяются электрическим полем электронно-дырочных переходов. В результате через р – n – переходы начинают протекать токи (фототоки), играющие роль токов управления.

     Конструктивно фототиристор представляет собой светочувствительный монокристалл с р–n–р–n – структурой (приложение 2 рис. 13), обычно из кремния, расположенный на медном основании и закрытый герметичной крышкой с прозрачным для света окном. Наибольшее распространение получили конструкции с освещаемым n-эмиттером и с освещаемой р-базой.

     Пригодные для управления фототиристоры источники излучения – электрические лампы накаливания, импульсные газоразрядные лампы, светоизлучательные диоды, квантовые генераторы и др. Величина светового потока, необходимого для перевода фототиристора в состояние с высокой проводимостью, характеризует чувствительность прибора; она определяется спектральным составом излучения, коэффициентом отражения и поглощения монокристалла, а также заданными значениями электрических параметров: напряжением переключения, скоростью нарастания прямого напряжения и т.д.

     Современные фототиристоры изготовляют на токи от нескольких  мА до 500 А и напряжения от нескольких десятков В до 3 кВ. Мощность управляющего светового излучения (при длине волны 0,9 мкм) порядка 1–100  мВт. Фототиристоры находят применение в различных устройствах  автоматического управления и защиты, а также в мощных высоковольтных преобразовательных устройствах.

     Фототиристоры  обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными тиристорами, которые включаются электрическими сигналами. К ним относятся, прежде всего, прямое управление импульсами света, точный, временной контроль включения группы приборов, высоковольтная гальваническая развязка между схемой управления  и  силовой цепью, высокая помехоустойчивость, большие интервалы между профилактическими работами, простота  и  безопасность обслуживания устройств.

     Фототиристоры имеют высокий КПД, устойчивы к  многократным перегрузкам по току  и  напряжению, к высоким электромагнитным помехам и  другим внешним критическим воздействиям. Электрические параметры  и  характеристики оптимизированы для работы в сборках с последовательным соединением  фототиристоров.  

      Благодаря оптическому управлению, интегрированным защитным функциям, а также уникальному сочетанию коммутирующих характеристик, фототиристор  занимает сегодня достойное место в ряду важнейших компонентов для электрооборудования HVDC, а также для других применений, где требуется преобразование электрической энергии.

     ИК-преобразователь устройство, преобразующее инфракрасное (ИК) излучение в видимый свет. Техническое решение этой проблемы осуществляется на основе, преобразования оптического светового изображение в электронное, а затем снова в оптическое в другой области спектра. Чаще всего преобразователи используются для преобразования изображения в инфракрасном свете в видимое изображение. Преобразователь содержит полупрозрачный фотокатод  и люминесцирующий экран, между которыми приложено ускоряющее напряжение (приложение 2 рис. 14). Между фотокатодом и экраном создается однородное электрическое поле.

     Принцип действия преобразователя состоит в следующем. Оптическое изображение проектируется на фотокатод, вызывая фотоэлектронную эмиссию, величина которой пропорциональна освещенности участков катода. Фотоэлектроны под действием ускоряющего поля направляются к экрану, вызывая его свечение. Таким образом, происходит преобразование инфракрасного изображения в видимое. Однако однородное электрическое поле не является электронной линзой и пучок электронов, исходящий из некоторой точки на катоде, будет расходиться, и изображение не будет четким.
Повысить разрешающую способность преобразователя можно, применив для фокусировки магнитные или электростатические линзы.
применение магнитных линз связано с большими габаритами и весом прибора, а также неоправданными расходами электроэнергии.
 Наиболее распространенными являются преобразователи с электростатической фокусировкой, в которых перенос электронного изображения осуществляется с помощью электростатических линз (приложение 2 рис. 15). Электронно-оптическая система состоит из катодного цилиндра, имеющего нулевой потенциал, ускоряющего электрода и анода, к которому приложено напряжение порядка 30 кВ. В этом преобразователе перенос изображения осуществляется двумя иммерсионными линзами. Первая линза служит для регулирования фокусировки,  а вторая линза ускоряет электроны, обеспечивая необходимую яркость свечения экрана.

     Основными параметрами электронно-оптических преобразователей являются:

1. интегральная чувствительность фотокатода – отношение величины фототока к величине падающего светового потока;
2. спектральная чувствительность фотокатода – отношение величины фототока к величине светового потока от источника монохроматического излучения;
3. квантовый выход, определяющий количество электронов,
   эмиттируемых фотокатодом под действием одного фотона. Квантовый выход не может быть больше 0,5;
4. коэффициент преобразования – отношение величины светового потока, излучаемого экраном ЭОП, к величине светового потока, падающего на фотокатод. Для однокамерных преобразователей коэфициент преобразования может доходить до 150, а для многокамерных – до 106 и более;
5. разрешающая способность – число пар линий в одном миллиметре изображения, различаемых на экране преобразователя;
6. яркость темнового фона – яркость свечения экрана в отсутствие освещения входного фотокатода. Это свечение обусловлено термоэмиссией фотокатода, световой обратной связи внутри прибора;
7. контраст изображения – определяется как отношение яркости крупной детали изображения к яркости фона.

     Такие преобразователи используются в приборах «ночного видения», которые получают все большее распространение в различных областях техники, на транспорте, в астрономии, в военном деле.

     Итак, я убедился сам и надеюсь, убедил вас в том, что применение гетеропереходов в оптоэлектронике помогает разрешить многие проблемы.  Так, в частности, найдено решение задачи создания приборов с прямозонной энергетической диаграммой, что не удавалось реализовать на гомогенных структурах. Прозрачность широкозонного эмиттера для рекомбинационного излучения базы гетерогенной структуры существенно облегчает задачу констуирования излучательных приборов. Также гетероструктуры способствуют всё большей интеграции оптоэлектронных устройств. Реализация сверхрешеток позволит создавать элементную базу с произвольными зонными диаграммами, т.е. гетероструктуры являются перспективным направлением исследования.  Технологические трудности изготовления гетеропереходов, как мне кажется,  явление временное и в недалеком будущем преодолимое.  Изучая литературу по физике и технике оптической связи, я так же увидел, что гетероструктуры являются хорошим подспорьем в конструировании систем волоконно-оптической связи. Инжекционные лазеры, например, с их способностью генерировать пучок света, (являющийся переносчиком информации в волоконно-оптических линиях связи) с наперед заданным направлением распространения - решение проблемы миниатюризации основных элементов систем волоконно-оптической связи.

     На основе гетероструктур созданы мощные высокоэффективные светоизлучающие диоды, используемые в дисплеях, лампах тормозного освещения в автомобилях и светофорах. В гетероструктурных солнечных батареях, которые широко используются в космической и наземной энергетике, достигнуты рекордные эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

     Изучая данную тему, я еще раз убедился, насколько велика роль физики полупроводников в нашей современной повседневной жизни: компьютеры, интернет, спутниковое телевидение, мобильные телефоны, лазеры всех мастей, солнечные батареи, CD – проигрыватель – это лишь малая часть милых сердцу вещей, без которых уже не обходится современное общество. С их помощью мы получаем и распространяем различную информацию. Так, например, отправив письмо по электронной почте, оно дойдет быстрее, чем обычное письмо.

     Работая над данной темой, я все время ловил себя на мысли, что моя профессия должна быть непосредственно связана с этой наукой. Ведь еще столько непознанного в окружающем нас мире, особенно мире нанотехнологий.

      Закончить свою работу мне хочется словами  Ж.И. Алфёрова, написавшего в своей книге «Физика и жизнь»: «Все, что создано человечеством, создано благодаря науке. И если уж суждено нашей стране быть великой державой, то она ею будет не благодаря ядерному оружию или западным инвестициям, не благодаря вере в Бога или Президента, а благодаря труду ее народа, вере в знание, в науку, благодаря сохранению и развитию научного потенциала и образования».

Приложение 1

                   Рис. 1 Ж. И. Алферов  

  Рис.2  Шведский король вручает                   Рис. 3 Нобелевский диплом

          Ж.И. Алфёрову Нобелевскую                              Ж. И. Алферова

          премию                                                                                                    

      Рис. 4 Маркс Алферов                                Рис. 5 родители  Ж. И. Алферова                                  

                                                                                     Рис. 7 Ж. И. Алферов в своей лаборатории

Рис. 6 Я. Б. Мельцерзон

                                             Рис. 9 Ж. И. Алферов  - депутат

                                                                                                Гос. Думы РФ

Рис. 8 Ж. И. Алферов с супругой

Приложение 2

                              а) в условиях равновесия        б) при прямом смещении                                                                                                                                                                                                              

                                                                Рис.2.   Идеальная зонная схема для гетероперехода.

Рис. 1                                                                                                           

Рис. 3                                           Рис. 4                                                 Рис. 5

Рис. 6                                           Рис. 7 Установка молекулярно-пучковой  

                                                            эпитаксии на основе арсенида галлия    

                Рис. 8 Установка молекулярно-пучковой  

                                  эпитаксии на основе кремния                                              

             Рис. 9 Полупроводниковая структура гетеролазеров

                               а)                                        б)

Рис.10. Схемы расположения p- и n- слоев и изменения ширины запрещенной зоны по сечению кристалла для :   а) однослойной гетероструктуры;    

                                                         б) двухслойной гетероструктуры.

W - толщина активной области, в которой идет эффективная излучательная рекомбинация.

Рис. 11. Фотодиод с гетероструктурой (1- широкозонное окно; 2- активная область; 3- подложка с переходным слоем).

Рис. 12. Гетерофототранзистор

1-- n+-InP-эмиттер с кольцевым электродом;  

2-- p-InGaAsP-база;

3-- n+-n-InP-коллектор (подложка).

Рис. 13. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n-структура

b) Диодный тиристор;         с) Триодный тиристор.

                Рис. 14                                                             рис. 15

Список литературы

1. Алферов Ж. И., Гетеропереходы в полупроводниках и приборы на их основе, в кн.: Наука и человечество, M., [1975];
2. Алфёров Ж.И. Двойные гетероструктуры: Концепция и применения в физике, электронике и технологии. – Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 9.
3. Алфёров Ж.И. Физика и жизнь. – СПб.: Наука, 2000.
4. Андреев В. M., Долгинов Л. M., Третьяков Д. H., Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов, M., 1975;
5. Гаман В. И., Физика полупроводниковых приборов: Томский университет 1989
6. ЖУКОВ А. «Наука и жизнь» № 4 2001 г.,  «Коротко о науке и технике»
7. Зи С., Физика полупроводниковых приборов т.1: Мир,  1984;
8. Кейси X., Паниш M., Лазеры на гетероструктурах, пер. с англ., т. 1-2, M., 1981.
9. http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftp/1998/01/page-3.html.ru

РЕЦЕНЗИЯ

На проектную работу ученика 9 – Б класса

МБОУ «Гимназия № 13»

Мазура Даниила

По теме «Ж. И. Алферов. Гетеропереходы в оптоэлектронике».

     Проектная работа выполнена по актуальной теме. В ней автор рассказывает о жизненном пути лауреата Нобелевской премии по физике Ж. И. Алферова, о его работах в области получения сверхчистых полупроводников. Особое внимание в работе уделяется открытию Ж. И. Алферова идеальных гетеропереходов и их использованию в оптической и квантовой электронике.

     Проектная работа является результатом совместных действий учащегося  9 – Б класса и учителя физики Доценко А. А. В подготовке проектной работы были использованы различные источники информации и под руководством учителя Доценко А. А. получен конечный продукт в форме творческого отчета. Таким образом, в работе над проектом были выдержаны все стадии: поиск источников информации, использование учителя, как источника информации, координация процесса подготовки проекта, поддержка непрерывной обратной связи, анализ полученной информации, формирование выводов и получение конечного продукта.

     Тема раскрыта автором глубоко и полно, даны интересные приложения, подготовлена электронная версия проектной работы.

      Работа Мазура Д. имеет метапредметную направленность. Автор проекта высказывает свое отношение к изученной им теме, показывает ее практическое значение и актуальность. Оформление работы соответствует современным требованиям, предъявляемым к работам подобного вида.

     Проектная работа ученика 9 – Б класса МБОУ «Гимназия № 13» Мазура Даниила, выполненная по руководством учителя физики Доценко А. А., рекомендуется для участия в муниципальной научно – практической конференции «Открытия русских ученых».

Рецензент:                                  Р. А. Каштанова, заместитель директора  

                                                                                     гимназии по НМР

13.02.2012