Оптоелектронні пристрої на основі надрешіток і квантових точок. Лавинні фотодіоди

Основные приборы на сверхрешетках - оптоэлектронные (инжекционные лазеры и светодиоды, пассивные элементы, фотоприемники), приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением, транзисторы.

Основной чертой оптоэлэктроники является замена традицион­ного электронного способа передачи и обработки информации на оптический.Основными полупроводниковыми элементами системы оптической передачи информации являются: электрически управляе­мый источник электромагнитного излучения (светодиод или инжекционный лазер), элемент, передающий или преобразующий оптиче­ские сигналы (волновод, модулятор, дефлектор, направленный от­ветвитель и т. д.), и элемент, преобразующий свет в электрические сигналы (фотоприемник). До сих пор сверхрешетки успешно приме­нялись в светоизлучателях и фотоприемниках.

Причина применения сверхрешеток для построения лавинных фотодиодов заключается в том, что большие различия между коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок приводят к сокращению шумов.

Ещё одно преимущество подобных структур в том, что процесс лавинного размножения более локализован, что также уменьшает помехи. Толщины отдельных слоёв лежат между 100 и 500 Å.

Для получения в лавинных фотодиодах (ЛФД) низкого уровня шума при большом усилении необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации электронов αи дырок β резко различались меж­ду собой. Современные волоконно-оптические системы на дли­ну волны 0,8 мкм используют малошумяшие кремниевые ЛФД, для которых а/β =50. Для снижения потерь в волокне будущие систе­мы должны использовать более длинные волны (как правило, 1,3 мкм). Для этой цели все шире используются полупроводники А^III В^V. К сожалению, для большинства этих соединений а/ β =1, что приводит к возрастанию шума при умножении. Поэтому боль­шое практическое значение имеют методы, позволяющие в указан­ных материалах увеличить отношение а/β.

Исследовались два типа структур, увеличивающих а/ β: свtрхре-шеnrа AlGaAs—СаАs и варизонный ЛФД. Для них обеих отношение а/ β увеличивалось по сравнению с однородным матери­алом, достигая ~ 5 и даже ~10.

В сверхрешеточной структуре это возрастание связано с ударной ионизацией на разрыве энергетических зон (разрыв в зоне пропо­ли мост и составляет 25% от энергии ионизации для электроном). Чтобы понять идею сверхрешеточного ЛФД, рассмотрим его энер­гетическую зонную диаграмму, изображенную на рис. 1.. Благо­даря очень низкому уровню легирования материала поле в слое обеднения на длине 2,5 мкм является постоянным. Этот слой со­держит 50 чередующихся слоен СаАs (45 нм) и AlGaAs (55 нм). При F_z > 10⁵ В/см электроны за время между столкновениями набирают энергию, большую, чем средняя энергия, теряемая в акте фононного рассеяния (21 мэВ). За счет этого носители сильно разогреваются полем и могут набрать энергию, необходимую lля ионизаций.

РИС. 1 - Енергетична діаграма над решіткового ЛДФ

Электроны, созданные за счет ударной ионизации в СаАs, легко уходят из ямы, паление напряжения на которой больше1 В. Кроме того, в полях больше 10⁵ В/см средняя энергия электронов в СаАs больше 0,6 эВ, так что процессы захвата в ямах несущественны.

Вместе с тем скорость ионизации для дырок β существенно не увеличивается, так как снижение энергии ионизации для них опреде­ляется разрывом в валентной зоне и составляет лишь 0,08 эВ. Окончательным результатом будет сильное увеличение отноше­ния а/ β.

В многослойной варизонной структуре энергия ионизации обес­печивается исключительно за счет разрывов зоны проводимости на гетерограницах. При этом в идеальном случае ударная ионизация вызывается лишь электронами. На рис. 5.3, а показана зонная диа­грамма многослойного варизонного материала (для определенно­сти собственного) при нулевом внешнем поле. В каждом периоде ширина запрещенной зоны, определяемая составом, линейно меня­ется от малого значения Еg1, до большого Еg2 после чего следует резкий скачок назад к малому значению. Разрыв в ширине запре­щенной зоны приходится в основном на зону проводимости, что типично для многих гетеропереходов в системе А^ШВ^V. Материалы подбираются так, чтобы разрыв в зоне проводимости был сравним с энергией ионизации для примыкающего к ступеньке узкозонного материала Eie или превосходил ее.

Зонна діаграма багатошарової варі зонної структури