книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

1.4 СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 41

Подробно излагать историю второго этапа — это пересказывать содержание книги. Поэтому остановимся только на ключевых событиях и направлениях.

Германий и кремний. Германий стал материалом первых твердотельных монокристаллических приборов. Из него изготовлен не только первый транзистор, но и первый фотодиод. Пионером здесь называют Шрайва (1948 г.), а пионером кремниевого фотодиода — Куммерова (1954 г.).

Но, как мы уже отмечали, для многих можно найти своего предтечу. Для Шрайва и Куммерова это был Оль. Еще в 1940 году он продемонстрировал на бруске, вырезанном из слитка кремния, невиданную тогда величину фотоЭДС ~0,5 В. Только много лет спустя стали поняты механизм и структура: это был тянутый переход, который получается в процессе выращивания слитка при инверсии типа проводимости.

Германию и особенно кремнию как базовому материалу микроэлектроники суждено было стать основными материалами для фотоприемников на видимый и ближний ИК-диапазоны оптического спектра. В этих диапазонах излучают также наиболее используемые лазеры, светодиоды, работают пульты дистанци­ онного управления, CD и DVD оптические считыватели для массовой видео- и аудио аппаратуры, бытовой и вычислительной техники, работают видеокамеры, не говоря о системах промышленного и военного назначения. Неудивительно, что фотоприемники на других материалах и для других спектральных диапа­ зонов, вместе взятые, не могут сравниться по общему объему производства с кремниевыми: счет здесь идет на десятки миллионов штук. Мы уже отме­ чали, что только кремниевых матриц ПЗС (фото-ПЗС) ежегодно выпускается порядка 50 миллионов штук, а объем выпуска кремниевых решетчатых мат­ риц примерно втрое выше (современные модификации таких матриц называют КМОП-ФД-СБИС, и они рассматриваются ниже).

Материалы А4В6 и АгВб-' сульфид свинца и другие. Немецкая группа разработчиков ракет оказалась после войны в США. Среди них были и специ­ алисты по PbS. Довоенные разработки PbS получили продолжение в США. И уже в 1958 году США используют военный конфликт Китай-Тайвань для ис­ пытаний первой ракеты самонаведения «Сайдуинтер» класса «воздух-воздух», в которой были применены тепловая головка и бесконтактный взрыватель на основе PbS-фоторезисторов (ФР).

Работы по PbS проводятся во всех странах с развитой ИК-техникой. Раз­ рабатываются сначала одно- и малоэлементные фоторезисторы, а во второй по­ ловине шестидесятых годов и многоэлементные линейки. Линейки содержали сотни, а в последующие годы и несколько тысяч фоторезисторов, состыкован­ ных с кремниевой электроникой для усиления и коммутации фотосигналов. С 80-х годов проводятся разработки двумерных матричных преобразователей изображения с решетчатой организацией: PbS-слои наносятся на кремниевую подложку со схемами электронной коммутации. Разрабатываются не только ФР, но и ФД на PbS, но из лабораторий такие ФД практически не вышли.

Несмотря на появление альтернативных направлений, PbS и сегодня можно считать основным материалом для диапазона 2-i-3 мкм. В последние несколько лет выпуск PbS-ФП вновь увеличился, предпочтение этим приборам отдается благодаря выгодному соотношению цена-качество.

Среди других материалов — родственников PbS — назовем сульфид кадмия CdS для видимого диапазона спектра (фототехника) и селенид свинца PbSe для диапазона 3-г5 мкм (на линейках ФР PbSe в 1960-х годах изготавливались од­ ни из первых тепловизоров с механическим сканированием). В отличие от PbS оба материала — CdS и PbSe — после 1970-х годов были потеснены другими.

Все названные материалы являются поликристаллами, и разработка прибо­ ров все эти годы сопровождалась теоретическими исследованиями структуры и фотоэлектрических явлений в них.

Материалы А3В5: антимонид индия и другие. Антимонид индия InSb стал первым монокристаллическим узкозонным полупроводником для ИК-техники. Область собственного поглощения InSb лежит в диапазоне 2 -г 5 мкм. Это ин­ терметаллическое соединение синтезированно Гольдшмидтом в начале XX ве­ ка. За рубежом признан приоритет советских ученых в исследовании полу­ проводниковых свойств InSb (Н. И. Горюнова, А. Р. Регель, 1950-1952 гг.). Несколько позже появляются статьи по InSb зарубежных ученых X. Велькера (1952 г.), К. Хилсума. Последующие работы Д. Н. Наследова с сотрудника­ ми заложили основы технологии выращивания монокристаллов и изготовления фотоприборов.

Фотоприемники на основе InSb прошли тот же путь, что и фотоприемни­ ки на основе PbS: сначала одноэлементные, потом линейки с ограниченным числом элементов, затем многоэлементные линейки и матрицы. Серьезным до­ стижением была разработка фотодиодов. После трудных поисков легирующей примеси был найден легкий атом — бериллий, вносящий минимум поврежде­ ний в кристаллическую решетку при ионной имплантации. Это и другие техно­ логические достижения позволили перейти от фоторезисторов к фотодиодам, что обеспечивает ряд преимуществ: повышает быстродействие, снижает по­ требление мощности. Современные матрицы являются гибридными: наряду с кристаллом ФД-InSb они содержат Si-кристалл с электронными схемами об­ работки и коммутации сигнала. От одноэлементных ФР до крупноформатных матриц (1024 х 1024) — таков путь фотоприемников на основе InSb за пять десятилетий.

На страницах нашей истории заслуживают быть названными хотя бы четы­ ре материала А3В5. Это по убыванию ширины запрещенной зоны — GaP, GaAs, InAs, InSb. С последним материалом из списка (InSb) мы уже познакомились. Широкозонный фосфид галлия GaP успешно работает в ультрафиолетовом и ближнем видимом диапазонах ~ 0,3 -j-0,45 мкм. Значительны заслуги арсенида галлия GaAs в квантовой электронике: в 1962 году на нем получен первый инжекционный полупроводниковый лазер, а серийный выпуск излучателей на

Естественной казалась и разработка ФД на GaAs, сопряженного по спектру с «родным» излучателем GaAs. Но GaAs-ФД быстро уступили место кремни­ евым ФД, оптимизированным на область 0,8 4-0,95 мкм. Да и GaAs лазеры сегодня вытесняются более современными, на основе гетероструктур сложных соединений (см. гл. 2).

Область собственного поглощения арсенида индия при азотной температуре лежит в диапазоне 24-3 мкм. Интенсивные разработки фотоприемников на InAs велись в 1960-1970 годах. Но слишком высока конкуренция в этом диапазоне,

иInAs практически сошел со сцены. Основным тружеником этого диапазона, как уже говорилось, остается PbS. Если надо ограничить инерционность, то применяют InSb-ФД с оптическими фильтрами или другие фотоприемники, о которых речь пойдет ниже.

Впоследние годы все больший размах приобретают работы по широко­ зонным соединениям Ащ-нитрид, предназначенным для создания излучателей

ифотоприемников для ультрафиолетовой и коротковолновой части видимого спектра.

Тройные соединения GdHgTe и другие. Пожалуй, ни один материал ИКтехники не вызывал такого интереса и даже споров, не ставил перед разработ­ чиками такого числа барьеров, как теллурид кадмия и ртути GdHgTe (KPT, кадмий-ртуть-теллур). Сначала два принципиальных «плюса» этого материала.

КРТ чувствителен в спектральном диапазоне 84-14 мкм, основном диапа­ зоне тепловидения, так как именно на этот диапазон приходится максимум собственного излучения тел с температурой ~ 300 К.

КРТ чувствителен не только в области 84-14 мкм, но и во всех практи­ чески важных ИК-диапазонах. Недаром в литературе встречается обозначение Gd^Hgi-^Te. И это значит, что содержание кадмия х и ртути (1 - х) может варьироваться и, следовательно, может варьироваться ширина запрещенной зо­ ны. Основной диапазон 84-14 мкм обеспечивается при х = 0,2. С увеличением х (доли кадмия) КРТ оптимизируется для приема излучения более близкой области 34-5 мкм (конкуренция InSb) и даже 24-3 мкм (конкуренция PbS, InAs). С уменьшением х, напротив, чувствительность простирается в далекую ИК-область, до 204-30 мкм (конкуренция примесным ФП).

Теперь минусы.

Сложная кристаллическая решетка, слабая химическая связь Те и Hg и ряд других неприятных физико-химических особенностей приводят к сложной тех­ нологии выращивания слитков КРТ, его дефектности, нестабильности, малым участкам на пластине, пригодным для изготовления ФП, низкому проценту выхода.

И как следствие названных проблем — высокая стоимость, особенно в пер­ вые годы разработок. Так, цена одной пластины диаметр]v 15 мм могла состав­

44 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1

лять 300-1000 долларов США, так что КРТ — безусловный победитель в этой незавидной номинации.

Все сказанное и вызывало споры, обостряло конкуренцию между КРТ и другими направлениями.

Честь получения первых монокристаллов КРТ и их исследования принад­ лежит Лоусону (1956 г.). Во всех «инфракрасных странах», в том числе и в

СССР, оценили значение столь узкозонного полупроводника, и были развер­ нуты работы по новому направлению. Понадобилось более десяти лет, чтобы изготавливать слитки, пригодные для выпуска качественных фотоприемников. В конце 1960-х — начале 1970-х годов большой бум вызвал мощный (1 -2 кВт) газовый лазер на основе СО2 с длиной волны излучения Л = 10,6 мкм. Рабо­ ты по КРТ были нацелены на создание быстродействующего фотоприемника для регистрации коротких импульсов этого лазера. Первый бум с лазером СОг утих, а фотоприемники на КРТ остались, их главным назначением стало теп­ ловидение.

Важным событием в биографии КРТ было освоение эпитаксии. Получение пластины из слитка — это длительные и малоэффективные технологические процессы, включая резку, шлифовку, полировку. Они становятся ненужны­ ми при эпитаксиальном выращивании на подложках из различных материалов тонких слоев КРТ обычно ~7-г10 мкм. Такие слои имеют более высокую од­ нородность и плоскостность. Это принципиально для flip-chip стыковки двух пластин: пластины КРТ и кремниевой, в которой сформирована микросхема. Высокая плоскостность повышает процент выхода годных фотоматриц на опе­ рации стыковки, и, следовательно, снижает стоимость — а это ахиллесова пята первых KPT-матриц. Так решилась судьба слитков — в новых разработках и, прежде всего, для матриц применяют только эпитаксиальные пластины. Для их изготовления используют все три эпитаксиальных метода:

1) газотранспортный, когда слой выращивается из пара (парофазная эпи­ таксия) или из металлоорганической газовой фазы (мосгидридная эпитаксия);

2)жидкофазный (ЖЭФ), когда слой выращивается из жидкой фазы;

3)молекулярно-лучевой (МЛЭ), когда слой наращивается молекулярным пучком в вакууме.

Наиболее освоен для изготовления KPT-пластин жидкофазный метод, об­ ладающий высокой производительностью. Пластины, полученные МЛЭ, лучше по плоскостности, поэтому такие пластины предпочитают использовать для матриц больших форматов. Кроме того, МЛЭ позволяет формировать сложные многослойные структуры. Однако оборудование для МЛЭ сложное и дорогое, слои КРТ растятся молекулярным пучком медленнее, чем из жидкой фазы. При этом в них возникают так называемые У-дефекты — киллеры для ячеек матриц. Развитие высоких технологий продолжается, и завтра мы можем стать свидетелями смены «желтой майки» лидера.

Выбор материала — только одна из проблем создания матриц на КРТ, да

ине только на КРТ. Есть еще проблемы создания оптимизированных фото­

1.4 СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 45

чувствительных элементов из выбранного материала, организации единичных элементов в матричную структуру, синтеза схемы кремниевой электроники. А названные уже проблемы стыковки двух кристаллов: как лучше вырастить индиевые столбики в каждой из ячеек этих двух кристаллов — фоточувствительной ячейки КРТ и ячейки с электронной обработки в Si? Как обеспечить с помощью проводящих индиевых столбов стопроцентное электрическое соеди­ нение flip-chip указанных ячеек обоих кристаллов? Так что подробная исто­ рия каждого из рассматриваемых здесь направлений займет весь объем этой книги...

Можно уже не повторять, что КРТ-фотоприемники тоже прошли стандарт­ ный для ИК-материалов путь от одноэлементных фоторезисторов, фотодио­ дов до суперматриц. К настоящему времени разработаны матрицы форматов 640 х 480 (диапазон 84-12 мкм); 1024 х 1024 (34-5 мкм); блоки 2048 х 2048 (14-3 мкм), из которых набирается суперматрица 4096 x 4096. Как видим, с увеличением ширины запрещенной зоны материала (сдвигом поглощения в ко­ ротковолновую область) технология предоставляет больше возможностей раз­ работчику приборов.

КРТ оправдал ожидания: несмотря на новые направления, и через пять­ десят лет после появления он сохраняет свое значение. Всем матрицам — и на КРТ, и нового типа — находится своя ниша. KPT-матрицы лидируют по объему производства среди ИК-матриц: по некоторым источникам, их выпуск составляет порядка 60% от общего выпуска ИК-приборов.

Проблемы КРТ заставили разработчиков искать ему альтернативу. В 1970— 1980 годах главным оппонентом КРТ стал Pbi-xSn^Te, или СОТ (этот термин также является аббревиатурой элементов материала: свинец РЬ, олово Sn, тел­ лур Те). При х = 0,2 — таком же значении, как и в КРТ, — обеспечивалась чувствительность в диапазоне 84-14 мкм. Безопасность технологии (в СОТ нет ртути), однородность свойств (ширина запрещенной зоны менее чувстви­ тельна к вариациям состава х), уникально высокое значение диэлектрической постоянной г w 4004-500 (раз в тридцать-сорок выше, чем у «нормальных» по­ лупроводников) — все это привлекало разработчиков. Конечно, высокое значе­ ние диэлектрической проницаемости снижает реактивное сопротивление р-п- перехода и, как следствие, напряжение фотосигнала. Но при высоком е экра­ нируются поля у поверхности и в р-л-переходе, так что существенно меньше вклад утечек и туннельных токов. Благодаря этому при гелиевых температу­ рах Т ~ 25 К удавалось достичь высоких сопротивлений ~Ю 10 Ом/см2, а это заметно выше, чем для КРТ. Заметим, что для достижения аналогичных пара­ метров на примесных фоторезисторах требуется более глубокое охлаждение до Т ~ 12 К, а в гелиевом диапазоне особенно весома цена каждого градуса.

На СОТ также последовательно разработаны одноэлементные ФД, затем линейки. Здесь, как и для других направлений, следовало бы сказать: и мат­ рицы. Но увы: из-за большой разности температурных коэффициентов расши­

рения фоточувствительной матрицы СОТ и кремниевого кристалла с электро­ никой их гибридная сборка при охлаждении разваливается.

История СОТ-фотодиодов закончилась, но в лабораториях продолжается ис­ тория СОТ-фоторезисторов. Нашли компенсирующую примесь — In, получили при Т = 12 К высокую чувствительность и высокое сопротивление: порядка 1012Ч-1013 Ом и выше, практически как у диэлектрика. Опыты продолжаются. И не исключено возвращение прежних героев на большую сцену. Такие случаи (для других направлений) мы увидим ниже.

Примесные полупроводники. Как мы уже отмечали, широкозонный моно­ кристалл ический полупроводник можно «очувствить» к длинноволновому из­ лучению, если ввести в него так называемую мелкую примесь: она создаст энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (или потолка валентной зоны). Малой энергии фотона теперь будет достаточно, чтобы перебросить электрон с мелкого примесного уровня в зону проводимости (или, соответственно, в валентную).

Исследователи словно сговорились: почти все рассмотренные здесь направ­ ления работ начинались практически одновременно, в самом конце 1940-х — начале 1950-х годов (запоздало только начало работ по КРТ). Примесные по­ лупроводники тоже «пятидесятники»: первые публикации по ним относятся к 1952-53 гг. (Б. В. Роллин, С. Л. Симмонс, Е. Б. Бурштейн). А число последу­ ющих публикаций превысило многие тысячи: объект исследования привлекает ученых своими интересными физическими свойствами.

Целесообразно было изготавливать примесные фотоприемники — фоторе­ зисторы — из одноатомных полупроводников Ge и Si, так как технология их выращивания, очистки и легирования к тому времени была достаточно хорошо отработана. Для германия в качестве мелкой примеси часто используют золо­ то (чувствительность в окрестности ~ 5,5 и 9 мкм). «Любимые* примеси для кремния — это галлий, бор, мышьяк. Некоторые из них могут давать несколько уровней (обеспечивающих чувствительность до 15-г 25 мкм, а при заполнении возбужденного состояния галлия — даже до 400 мкм). Разработки 1950-1960-х годов проводились в интересах тепловидения. Однако появление узкозонных материалов резко сократило области применения примесных. Объяснение, ко­ нечно, в недостатках примесных ФП. Отметим только два из них. Это малая чувствительность: атомов примеси существенно меньше, чем основных (типич­ но соотношение ю 16^ 18 см-3 против 1023 см-3), соответственно вероятность взаимодействия фотона с примесью на порядки меньше, чем с основными ато­ мами. Хотя уже появились примесные фотоприемники с большим уровнем ле­ гирования. Это фоторезисторы с проводимостью на примесной зоне и структуры с блокированной примесной проводимостью. Второй и решающий недостаток — необходимость глубокого гелиевого охлаждения до 10 ч-40 К, И то время как для InSb и КРТ достаточно азотного охлаждения до 774-80 К. За примесны­ ми ФП остаются в основном эксклюзивные космические задачи: обнаружение

слабо нагретых объектов в условиях низкого фона, а также спектральные аст­ рофизические исследования в далеком ИК-диапазоне до 204-30 мкм (наземным телескопам это недоступно, так как при длинах волн свыше 14 мкм атмосфера непрозрачна, глава 2). В этих задачах от ФП требуется регистрировать ма­ лые сигналы, следовательно, требуются малые шумы, следовательно, высокое сопротивление. И здесь узкозонные и примесные ФП меняются местами: со­ противление узкозонных относительно мало, в то время как примесные при указанных температурах близки по сопротивлению к диэлектрикам.

Разработка спутниковых систем с примесными ФР для регистрации холод­ ных целей (баллистических ракет при полете вне атмосферы) активно велась в 80-х годах. Это было стимулировано политикой «звездных войн», программой СОИ (стратегической оборонной инициативы).

Знаменательным оказалось для фотоэлектроники начало 1970-х годов.

К этому времени микроэлектроника достигла ошеломляющих успехов. Все­ го за десять лет был разработан ряд высоких технологий, среди которых ли­ дировала n-МОП технология (основным элементом является МОП-транзистор с п-каналом), обеспечивается выпуск БИС — больших интегральных схем с десятком тысяч элементов на одном кристалле. Открывалась перспектива со­ здания СБИС — сверхбольших интегральных схем с сотней тысяч элементов на кристалле. Таким образом, была создана технологическая база и для разра­ ботки фотоприемных устройств (напомним, что это приборы, которые содержат не только фоточувствительный элемент (ФЧЭ), но и электронные схемы обра­ ботки и коммутации фотосигналов). Открывалась возможность интегрального исполнения ФПУ с расположением и фоточувствительных элементов, и элек­ тронных схем на едином (или нескольких) кристаллах.

В 1970 году Бойль и Смит изобретают ПЗС. Конкуренция фирмы Bell, где работают Бойл и Смит, с фирмой Fairchild — ей электроника обязана фото­ литографией и планарной технологией — приводила практически к удвоению формата кремниевых фото-ПЗС за каждые два года, и к 1976 году он достига­ ет телевизионного. К этому времени разработки ПЗС проводились во многих ведущих фирмах США, Японии, Европы, в том числе в СССР. Начинают разра­ батываться ИК-матрицы самой различной идеологии. Выше уже упоминалось о некоторых из них. И пусть сегодня в ИК-матрицах для коммутации заряда обычно используются не ПЗС-ячейки, а МОП (или КМОП) полевые транзи­ сторы. И пусть сегодня даже в кремниевых матрицах для видимого диапазона стала использоваться не только идеология ПЗС, а тоже решетчатая организа­ ция, тоже МОП, точнее КМОП-транзисторы (к таким матрицам мы еще вер­ немся). Но именно высокая технология интегральных схем, изобретение Бойля и Смита стали катализаторами стремительного развития твердотельных преоб­ разователей изображения.

Благодаря значительным успехам квантовой электроники твердотельные и полупроводниковые светодиоды и лазеры вышли из лабораторий в произвол-

ство. Это позволило создавать новые оптико-электронные системы (о них по­ дробнее в следующем параграфе). Необходимость регистрации коротких лазер­ ных импульсов стимулировала работы по созданию быстродействующих ФД, прежде всего, кремниевых. Разрабатываются ФД с рш-структурой, лавинные фотодиоды разных типов.

Именно после описанных событий фотоэлектроника особенно активно про­ никает в самые различные области науки, техники, промышленности. Стреми­ тельнее развиваются ранее перечисленные, возникают новые направления. На страницах истории заслуживают быть представленными хотя бы еще четыре направления, пока еще не названные.

Тройные и четверные соединения и системы. Гетеропереходы. Основной инструмент разработчика приборов на одно- и двух компонентных материа­ лах — это примесь, вариация ее типа(донор или акцептор), ее концентрации, профиля легирования. Сложные соединения дают разработчику новый дей­ ственный инструмент — позволяют варьировать по своему желанию ширину запрещенной зоны £g. Можно варьировать Sg внутри области одного типа про­ водимости (например, в «-типе); такая структура называется варизонной. Мож­ но две области перехода — электронную и дырочную — сформировать с разным значением S g. Такой переход в отличие от обычного моноперехода называется гетеропереходом: моно — один(материал), а гетеро — разные (материалы).

Кроме рассмотренного выше тройного соединения GdHgTe, в 1960-1980 го­ дах были синтезированы и проведены интенсивные исследования соединений и систем AlGaSb/GaSb, InGaSb/IbSb, InAlAs/InP, InGaAs/InP, InGaAsP и дру­ гих. Важным требованием для подобных структур является постоянство пери­ ода кристаллической решетки для всей структуры (изопериодичность), в про­ тивном случае возникают заметные нарушения на границе переходной области.

Варизонные структуры, гетеропереходы представляют принципиально но­ вые возможности разработчикам фоточувствительных приборов.

В варизонной структуре (в которой по глубине изменяется ширина запре­

С их помощью можно ускорить перенос неосновных носителей из квазинейтральной области к ОПЗ, уменьшив таким образом рекомбинационные потери, повысив быстродействие.

Теперь о гетеропереходах. Оттолкнемся от прототипа, от «обычного» п-р- гомоперехода. Сформируем теперь переднюю облучаемую «-область (базу) из материала с широкой запрещенной зоной £gn, а р-подложку — с узкой, <8gp < < <§gn. Тогда для фотонов с энергией Egp < hu < Egn обеспечатся оптимальные условия поглощения непосредственно в ОПЗ на границе такого р-«-гетеропере-

1.4 СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 49

хода. Широкозонную освещаемую л-область называют «широкозонным окном» (потому что она прозрачна для фотонов hv, как стекло для света).

Реальные приборы обычно отличаются от этого идеала: электронно-дыроч­ ный переход располагается не на гетерогранице, а несколько смещается от нее вглубь узкозонного материала. Тогда широкозонное окно выполняет функцию контакта. Можно так подобрать состав материалов, что гетеропереход будет практически омическим. Еще одно важное преимущество: широкозонное окно как бы продолжает кристалл, поэтому при одинаковом периоде кристаллов ре­ шетки на границе не возникает (почти не возникает) нарушения периодичности структуры. Следовательно, меньше связанных с этими уровнями генерационно­ рекомбинационных неприятностей.

Разовьем идею: сформируем не один р-я-гетеропереход, а многослойный «пирожок» р-я-р-я-гетеропереходов. Ширина запрещенной зоны всех четырех слоев л, р, л, р уменьшается от поверхности в глубину. С помощью электри­ ческих контактов ко всем областям будем выводить фотосигналы каждого из р-л, л-р, р-л-гетеропереходов. Так с помощью «кончика пера» сконструирован трехцветный фотоприемник с разделением цветов по глубине, с максимальным использованием падающей оптической мощности.

В гомопереходах потолок валентной зоны <gv усердно копирует дно зоны про­ водимости Sc (ведь их разность есть ширина запрещенной зоны, (Sg = <S>c -<SV. а она постоянна). В гетероструктурах теоретически появилась принципиально новая возможность — формировать дно <8С и потолок Sv указанных зон неза­ висимо, так как разность Sg = £ с - Sv можно варьировать. Два характерных случая приведены на рис. 1.4.1. В первом случае самая низкая точка £с и самая высокая точка Sv оказываются в одном слое (рис. 1.4.1а). Во втором случае эти точки разнесены в соседние области (рис. 1.4.16). Электроны скатываются в область наименьшего потенциала £с (в потенциальную яму). Дырки подобно воздушным шарам поднимаются в самую высокую точку потолка (область наи-

Р и с . 1.4.1. Примеры многослойных гетероструктур (схематически): электроны скатываются

всамую глубокую яму (в область наименьшего потенциала <ВС); дырки, как воздушный шар

вводе, поднимаются в самую верхнюю точку потолка (в область наибольшего потенциала

<Sv)

большего потенциала). Поэтому в структуре на рис. 1.4.1а и электроны, и дыр­ ки собираются (инжектируются) в одну область (двойная инжекция). Напро­

тив, в структуре на рис. 1.4.16 носители разного типа разделены по соседним областям, что препятствует их рекомбинации.

Становление рассматриваемого направления гетероструктур происходило в 1960-1970 годы. Выдающийся вклад в исследование гетеропереходов, в созда­ ние лазеров на их основе внесли Ж. Алферов, X. Кремер. Для лазеров ока­ залась революционной идея двойной инжекции. Оба типа носителя оказыва­ лись «запертыми» в узкой области, их неравновесная концентрация станови­ лась высокой, что способствовало стимулированной оптической рекомбинации (см. гл. 2). За названные работы Ж. Алферов, X. Кремер в 2000 году были удостоены Нобелевской премии.

После 1970-х годов работы по гетеропереходам велись еще более широким фронтом, в том числе и по фотоприемникам. Вот три ярких примера.

Серия работ Капассо и других (1979-1982 гг.) еще раз подтвердила, что многослойные структуры с гетеропереходами и варизонными областями — это благодатный объект для приложения интеллекта и научного воображения. Ав­ торы предложили веер самых различных структур лавинных фотодиодов для решения одной и той же актуальной задачи — заставить только один тип носи­ телей инициировать лавину. Такая лавина более упорядочена и поэтому меньше шумит, чем при лавинном размножении и электронов, и дырок.

InAs, GaSb/GaAlAsSb. Разработки подобных четверных соединений проводи­ лись, начиная с 1980-х годов. Вариацией состава и, следовательно, величины Sg, обеспечивалась чувствительность в диапазоне 2ч-3 мкм, а затем и Зч-5 мкм. ФД могли работать без охлаждения. Само по себе это неудивительно: и другие типы фотоприемников (PbS и PbSe-фоторезисторы) могут в этих диапа­ зонах работать без охлаждения. Достижением было высокое быстродействие, а также возможность регистрации меньшей мощности излучения.

Вслед за освоением лазеров «кремниевого» диапазона (0,85 ч-0,9 мкм; 1,06 мкм) оптико-электронные системы стали осваивать лазеры 1 ,3 ч-1,55 мкм, которые были созданы на структурах InGaAs/InP. Зачем нужны такие лазеры? Для лазерных дальномеров и обнаружителей важно, что длинноволновое из­ лучение безопаснее для глаз. В оптическом волокне в окрестностях длин волн 1,31 и 1,55 мкм поглощение излучения минмально, так что и в системах даль­ ней связи потребовался переход на эти волны (см. гл. 2). И, наконец, совсем другие, не лазерные системы — приборы ночного видения. Основное излуче­ ние в звездную ночь в отсутствие луны приходится на спектральный диапазон 1 ч-1,8 мкм, в то время как длинноволновая граница чувствительности ЭОП значительно короче (при GaAs-фотокатоде она составляет ~ 0,9 мкм). Так что перед фотоэлектроникой ставились практически те же задачи, которые ранее она решала с помощью кремния. И эти задачи также были решены на структу­ рах InGaAs/InP. Фотоприемники на таких структурах прошли фактически тот