Современная электроника №9/2024

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 9 / 2024 Рис. 1. Упрощённая схема энергетических зон p-n гомоперехода, смещённого в прямом направлении В первой части статьи, опубликованной в журнале «Современная электроника» № 8, 2024, были рассмотрены те основные достижения в области лазеров, к которым мировая наука подошла в начале 1960-х. В этой части описаны основные научные достижения группы Алфёрова в исследованиях 1960–1970-х годов в области разработки двойных гетероструктур и создание на их основе полупроводниковых инжекционных ДГС-лазеров. Виктор Алексеев Полупроводники с гомопереходами В первой части статьи, опублико- ванной в журнале «Современная элек- троника» № 8, 2024, были рассмотрены основные принципы и этапы развития лазеров до начала 1960-х годов. Завер- шался первый этап разработок полу- проводниковых инжекторных лазеров с одним прямым p-n-переходом (гомо- переходом). Эти лазеры могли испу- скать стимулированное когерентное излучение в инфракрасной области спектра только при охлаждении жид- ким азотом (77К). При комнатной тем- пературе они работали как обычные светодиоды, излучающие некогерент- ные, размытые пучки фотонов с дли- нами волн, близкими к красной обла- сти спектра. Многочисленные попытки усовер- шенствования этих первых твердо- тельных лазеров выявили ряд непре- одолимых на тот момент времени конструкторских и технологических барьеров, связанных, прежде все- го, с неустойчивой инверсией насе- лённости, а также с необходимостью охлаждения рабочего тела до крио- генных температур, высокими поро- гами возбуждения, высокой расходи- мостью светового луча и низким КПД. Большинство теоретиков склонялось к мысли, что создание надёжного полу- проводникового лазера в принципе невозможно. Существовавшая в то время тех- нология изготовления полупрово- дников была основана на том, что зоны акцепторного и донорного типов (p-зона и n-зона) изготавли- вались методом сильного легиро- вания полупроводников, чаще все- го на основе арсенида галлия. При этом собственные электрические свойства «материнского» полупро- водника практически вытеснялись свойствами примеси. Арсенид-гал- лиевый p-n-переход получали стан- дартным методом с помощью диффу- зии цинка, легированного теллуром. Более подробно такие лазеры описа- ны в первой части статьи. Такой тип перехода, образованно- го между двумя областями одного и того же полупроводникового материа- ла, но с разными типами легирования (p-типа и n-типа), получил название «Homojunction» – гомопереход. Упрощённая схема энергетических зон p-n-перехода GaAs, сильно легиро- ванного с обеих сторон и смещённо- го в прямом направлении, показана на рис. 1 [1]. При этом их рекомбинация вызыва- ет некогерентное (спонтанное) излу- чение. В случае недостаточного смещения электроны диффундируют со стороны n-типа на сторону p-типа, а дырки – в противоположном направлении. Для того чтобы получить иници- ированное когерентное излучение, характерное для лазера, необходи- мо достичь инверсии населённости, которая возможна только в том слу- чае, когда прямое смещение больше, чем ширина запрещённой зоны. Одна- ко с помощью схемы, показанной на рис. 1, инверсию населённости труд- но достичь в обычном p-n гомоперехо- де. Даже при вырожденном легирова- нии как электроны, так и дырки будут быстро диффундировать из актив- ной области в соседнюю противопо- ложно легированную область, пре- дотвращая условие возникновения инверсии населённости (более под- робно этот вопрос рассмотрен в пер- вой части статьи). Полупроводниковые широкозонные транзисторы В 1956 году будущий нобелевский лауреат Уильям Брэдфорд Шокли (William Bradford Shockley) впервые предложил использовать в транзи- сторах переход на базе широкозонного эмиттера (Wide-Gap Emitter), что позво- ляло обеспечить однонаправленную инжекцию носителей заряда и управ- лять потоком электронов или дырок в одном направлении [2]. Термин «широкозонный эмиттер» относится к полупроводникам с боль- шей запрещённой зоной, определяю- щей разницу энергий между валент- ной зоной и зоной проводимости. Уильям Шокли показал, что в слу- чае транзисторов большая запре- щённая зона создаёт энергетический барьер, который позволяет носите- Электроны Доноры Свет Акцепторы Дырки