научная статья по теме ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ВНУТРЕННИМ УСИЛЕНИЕМ ИНЖЕКЦИИ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ВНУТРЕННИМ УСИЛЕНИЕМ ИНЖЕКЦИИ»

Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Бекирев У.А., кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института физических проблем им. Ф.В. Лукина Крюков В.Л., кандидат технических наук, зам. директора ООО «МеГа Эпитех» Купченко Л.Л.

Потапов Б.Г., научный сотрудник (Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина) Скипер А.В. Стрельченко С.С. (ООО «МеГа Эпитех»)

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ВНУТРЕННИМ УСИЛЕНИЕМ ИНЖЕКЦИИ

Проведено теоретическое рассмотрение накопления зарядов в p-n-гетероструктурах с внутренним усилением инжекции. Особенностью таких структур является составная активная область, включающая в себя широкозонные и узкозонные излучающие слои. Узкозонный слой играет еще роль переизлучающего слоя. Параметры слоев рассчитаны такими, что часть носителей, возникающих в узкозонном слое в результате поглощения излучения из широкозонного слоя, термически выбрасывается в широкозонный слой. Это приводит к увеличению концентрации носителей в обоих слоях активной области. Она может значительно превысить уровень концентрации носителей, обусловленный током инжекции через p-n-переход. Рассмотрены некоторые конструкции таких ге-тероструктур, позволяющие улучшить параметры светодиодов и лазеров. Это экспериментально проверено на GaAlAs p-n-гетероструктурах.

Ключевые слова: Многопроходная p-n-гетероструктура, инжекция, неосновные носители, внешний квантовый выход, излучательная рекомбинация, термический выброс, подложка, активная область, электронно-дырочная пара, область излучательной рекомбинации.

HETEROSTRUCTURES WITH INNER INJECTION INTENSIFICATION

The theory of the charge accumulation in multipass p-n-heterostructures with inner injection intensification is considered. The main feature of such structures is the composite active area, which one includes wide-band radiative layer and narrow-band radiative layer. In addition narrow-band layer reemits radiation. The carriers appears in narrow-band layer due to absorption of radiation from wide-band layer. Parameters of layers are adjusted to provide thermal injection of carriers into wide-band layer. This leads to increase of carrier concentration in both layers of active area. This concentration may significantly exceed concentration predetermined by injection current through p-n-junction. Some structures which ones improved parameters of lasers and LEDs are described. It was confirmed experimentally on GaAlAs p-n-heterostructures.

Keywords: The multipass p-n-heterostructure, the injection, the minority carrier, the external quantum efficiency, the radiative recombination, the thermally injection, the substrate, the active area, the electron-hole pair, the radiation reabsorption, the area of radiative recombination.

Данная работа посвящена расчету процесса накопления неосновных носителей заряда в области излучательной рекомбинации многопроходной гетероструктуры, которая имеет в

указанной области дополнительный узкозонный слой. Этот слой может примыкать к области излучательной рекомбинации с одной из ее сторон и всегда имеет ширину запрещенной зоны меньшую, чем в области излучательной рекомбинации. В зависимости от параметров дополнительного слоя можно получать различные режимы накопления носителей, а соответственно, и гетероструктуры с различным функциональным назначением. Введение в гетерострук-туру с накоплением носителей заряда ни одного, а нескольких дополнительных слоев еще больше изменяет параметры структур и расширяет их функциональные возможности. Эти структуры принято называть гетероструктурами с внутренним усилением инжекции. Однако, для большей наглядности упрощенный расчет процесса накопления начнем с относительно простой гетероструктуры, зонная диаграмма которой представлена на рисунке 1. Фактически аналогичный расчет проведен нами в [1], но он направлен на выявление быстродействия в многопроходных гетероструктурах с внутренним усилением инжекции.

При расчете процесса накопления носителей заряда и выводе условий такого накопления в области излучательной рекомбинации, которая состоит из двух частей (см. рис. 1), будем считать, что внутренний квантовый выход левой части этой области, имеющей толщину (

равен Д < 1, а правой части, имеющей толщину (2, равен в2 < 1. В общем случае Д ^ в2.

и---> - -

ё2

Ф} _И-

Л

¿2

V

Ф2

Рис. 1. Изменение ширины запрещенной зоны по толщине структуры с накоплением носителей в области излучательной рекомбинации. Пунктиром показан другой вариант изменения ширины запрещенной зоны по толщине структуры.

Полагаем также, что ширины запрещенных зон этих частей разные, и с дополнительным узкозонным слоем, толщина которого равна (0, они имеют в общем случае разную высоту гетеропереходов, соответственно Л1 и А2. Здесь возможна ситуация, когда Л1 < А2, так и Л1 > Л2. Времена жизни неосновных носителей, соответственно, равны т0, т1 и т2, а соответствующие им диффузионные длины этих носителей Ь0, Ь1 и Ь2.

х

Кроме того, полагаем, что толщина дополнительного узкозонного слоя меньше диффузионной длины неосновных носителей в нем, то есть (0 < Ь0.

При инжекции неосновных носителей в область излучательной рекомбинации в виде потока 1инж кванты излучения, возникшие в этой области, после отражения от граней кристалла структуры или непосредственно сразу попадут на узкозонный слой и частично поглотятся в нем с образованием электронно-дырочных пар, поток неосновных носителей 1ф при этом

частично рекомбинирует в этом же узкозонном дополнительном слое с интенсивностью

10 = 0 0 , где п0 - концентрация неосновных носителей в узкозонном дополнительном слое, Т0

а частично за счет термического выброса носителей вытечет в левую и правую части области излучательной рекомбинации. Эти носители в обеих частях области излучательной рекомбинации рекомбинируют с квантовым выходом Д и Д2 соответственно. Те кванты, которые не

вышли наружу опять испытывают выше описанные превращения. Этот процесс повторится многократно до тех пор, пока не установится в структуре при постоянном токе внешней ин-жекции стационарный режим, характеризующийся постоянством концентраций неосновных носителей в областях излучательной рекомбинации и узкозонном слое, а также постоянными потоками, выходящими из структуры и потоками, падающими на узкозонный слой с левой и правой сторон. Найдем условия накопления носителей заряда в области излучательной рекомбинации при стационарном режиме работы структуры. В таком режиме работы для потоков инжекции и рекомбинации в излучающих областях и дополнительном слое справедливо соотношение:

!иНЖ+ 1ф = 10 + 11 + 12, (1)

где 11 и 12 - потоки рекомбинации носителей в левой и правой частях области излучательной рекомбинации, соответственно. Поток 1ф определяется величиной излучений, поглотившегося в узкозонном слое, и равен:

¡ф = Ф< (1 - е-^ ) + Ф< (1 - е-к2(0 ) (2)

где Ф1 и Ф2 - потоки излучения, падающие на узкозонный дополнительный слой слева и справа, соответственно, к1 и к2 - коэффициенты поглощения, соответственно, потоков Ф1 и Ф2 в узкозонном слое, < - квантовый выход электронно-дырочных пар для поглощающего излучения. Необходимо оговориться, что формула (2) справедлива для лучей, падающих перпендикулярно на узкозонный слой. На самом деле потоки Ф1 и Ф2 состоят из квантов, имеющих изотропное распределение по направлениям и поглощаются эти потоки в узкозонном слое сильнее, чем поглощение по формуле (2). Поскольку Л1 и Л 2 значительно меньше энергии квантов из области излучательной рекомбинации, то квантовый выход пар для фотонов, поглотившихся из потоков Ф1 и Ф2 можно считать одинаковым. Для потоков Ф1 и Ф2 можно записать следующие соотношения:

Ф = Я1Ф2в-к2(0 + ЬЁ. (1 + ^ )

2 , (3)

т в

Ф2 = Я2Ф1в-к1(0 (1 + я2)

где Я1 и Я2 - суммарные коэффициенты отражения излучения от внутренних и внешних граней, расположенных слева и справа от указанного слоя, соответственно. Решая систему уравнений (3) относительно Ф1 и Ф2 и подставляя найденные значения в уравнение (2), получим следующее выражение для потока 1ф :

I

ф=.

б

1 - ОД*

-(( + к2 )о

[АД (1 + Я1 Ц + 1202 (1 +

а

(4)

где

а = 1 - е-мо [1 - ^ (1 - е-к2 (о)

1 - Я1 (1 - е"Мо)

а2 = 1 - е

Для того, чтобы структура работала в режиме накопления носителей в области излуча-тельной рекомбинации, необходимо, чтобы поток неосновных носителей, возникающий в результате образования электронно-дырочных пар при поглощении излучения в узкозонном слое, был бы больше потока рекомбинации этих носителей в этом же слое, то есть необходимо, чтобы поток неосновных носителей, возникающий в результате образования электронно-дырочных пар при поглощении излучения в узкозонном слое, был бы больше потока рекомбинаций этих носителей в этом же слое, то есть необходимо, чтобы 1ф > 10. Разница потоков 1ф -10 за чет термического выброса носителей будет вытекать в область излучатель-

ной рекомбинации. Наилучшая ситуация для этого в том случае, когда на гетеропереходах между дополнительным слоем и областью излучательной рекомбинации сохраняется квазиуровень Ферми. Тогда концентрация носителей в узкозонном слое и в области излучательной рекомбинации на границах с этим слоем связаны, в соответствии с [2], соотношениями:

п

(( ) =

по (по + Ро )

п1 + Р1

ехрI-кГ.

п м+ (о ) = ехр Г-£"

п2 + р2 ^ к! .

(5)

где р1, р2 и р0 - концентрации основных носителей (пусть это будут дырки) в слоях, толщины которых 1 , (2 , ¿0 ,

соответственно. Справедливость сохранения квазиуровня Ферми между узкозонным дополнительным слоем и правой частью области излучательной рекомбинации (внешняя инжекция неосновных носителей в виде потока 1инж осуществляется, как

уже говорилось, в левую часть области излучательной рекомбинации) не вызывает сомнения, поскольку инжекция неосновных носителей в правую часть области осуществляется только за счет вытекания этих носителей из узкозонного слоя. Что касается справедливости более детального рассмотрения соотношений концентраций между узкозонным слоем и левой стороной области излучательной рекомбинации, то оно в общем ви

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком