Современная электроника №9/2024

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 21 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 9 / 2024 лям заряда легко течь от эмиттера к базе, но затрудняет их перемещение в обратном направлении. Такой под- ход позволил создавать условия для однонаправленной инжекции и сни- жать нежелательную рекомбинацию. Значительный вклад в развитие полупроводниковых широкозонных структур внёс немецкий физик-теоре- тик Герберт Крёмер (Herbert Kroemer), разделивший в 2000 году Нобелев- скую премию с Жоресом Алфёровым. В то время как Шокли предложил только общую концепцию широко- зонного эмиттера, Крёмер разработал обобщённую теоретическую модель, описывающую подобные вопросы. В настоящее время трудно сказать, кто первый ввёл термин «полупро- водниковая гетероструктура». Одна- ко этот термин стали широко исполь- зовать, именно ссылаясь на работы Крёмера [3, 4]. На сегодняшний день наиболее общими являются следующие поня- тия. Полупроводниковая гетерострук- тура – это выращенная на подложке структура, состоящая из слоёв различ- ных полупроводников, которые разли- чаются шириной запрещённой зоны или сродством к электрону. Гетеропе- реход – это тонкая граничная область между двумя полупроводниками в гетероструктуре. Важно понимать, что гетеропереход не является простым, чисто механическим контактом двух разных полупроводников. Герберт Крёмер ввёл понятие гради- ентного гетероперехода, обусловли- вавшего постепенное изменение энер- гии и ширины запрещённой зоны. Крёмер также предложил концеп- цию встроенных квазиэлектрических полей в градиентной области гетеро- перехода, которые усиливают движе- ние носителей в одном направлении. Благодаря этим полям на краях гетеро- перехода существуют области (Graded Heterojunction) с размерами порядка десятков нанометров, в которых пере- ход от свойств одного полупроводника к свойствам другого меняются посте- пенно, а не резким скачком. При этом постепенное изменение полупроводниковых свойств при- водит к изменению также и зонной структуры, что обеспечивает плав- ный переход на краях зоны проводи- мости и валентной зоны. Кроме того, плавный переход может уменьшить количество состояний интерфейса, действующих как центры безызлу- чательной рекомбинации, а также постепенное изменение структуры зоны может способствовать плавно- му транспорту носителей заряда через переход. Как было отмечено в первой части статьи, разработки твердотельных полупроводниковых инжекционных лазеров к началу 1960-х практиче- ски натолкнулись на своеобразный барьер, непреодолимый с точки зре- ния существующих на тот момент времени технологий. Прежде всего, известные схемы лазеров и доступные полупроводники не позволяли создать зону инверсной заселённости, необхо- димую для возникновения стимули- рованного когерентного излучения. Выход из сложившейся ситуации предложили в 1963 году практиче- ски одновременно и независимо друг от друга российские и американские физики. В СССР сотрудники Ленинградско- го Физико-Технического Института Жорес Алфёров и Рудольф Казаринов сформулировали и запатентовали кон- цепцию полупроводниковых лазеров на основе двойной гетероструктуры. В описании идеи патента они особо указали на то, что лазеры на гомопе- реходах не обеспечивают непрерыв- ного режима генерации при высоких температурах. Вместо схемы с гомо- переходом на основе вырожденных полупроводников (рис. 1) Алфёров и Казаринов предложили лазер с ком- бинированной полупроводниковой структурой, в которой активный полу- проводник с узкой запрещённой зоной был размещён между двумя проводни- ками с более широкой запрещённой зоной. Забегая вперед, отметим, что толщина этого активного слоя состав- ляет десятки-сотни нанометров. Эта конструкция, напоминающая вафлю, предотвращала «утекание» из инверсной зоны как электронов, так и дырок с помощью внешних обкладок. Напомним, что классическое опреде- ление гетероперехода (Heterojunction) означает интерфейс между двумя раз- личными полупроводниковыми мате- риалами с разной шириной запрещён- ной зоны. Таким образом, в патенте Алфёро- ва и Казаринова два гетероперехода, ограничивающие тонкий полупрово- дниковый слой с меньшей запрещён- ной зоной, позволяют за счёт электри- ческой накачки создать между ними уровень инверсной населённости, обусловливающий стимулированное когерентное излучение. Позже такая схема получила назва- ние «лазеры с двойной гетерострук- турой» – Double Heterostructure, или Double Heterojunction DH. Важно то, что схема с двумя гете- роструктурами (ДГС) предполагает инжекцию носителей с обоих ограни- чивающих боковых слоёв, значитель- но увеличивая плотность носителей и инверсную заселённость. Необхо- димым условием реализации схемы с ДГС является то, что эта транзистор- ная структура должна представлять собой единое целое, в котором полу- проводники выращены один на дру- гом, а не просто механически склее- ны [5]. Удивительно то, что, не имея ника- кой возможности узнать об этой рабо- те, американский физик-теоретик Герберт Крёмер (Herbert Kroemer) пришёл к точно такому же выво- ду, что и Жорес Алфёров. Весной 1963 года на семинаре в корпора- ции «Varian Associates» (Пало-Альто, Калифорния, США) доктор Сол Мил- лер сообщил, что, согласно мнению авторитетных экспертов, принципи- ально невозможно добиться устой- чивой инверсии населённости при комнатной температуре, поскольку инжектированные носители слиш- ком быстро диффундируют на про- тивоположную сторону перехода. На это категорическое заявление Герберт Крёмер возразил, что теоретически это вполне возможно, если увели- чить энергетический разрыв между инверсным слоем и внешними донор- ными зонами. Эту идею Крёмер изло- жил в статье, которую направил в журнал Applied Physics Letters. Одна- ко доказательства Крёмера настолько отличались от общепризнанной точ- ки зрения, что эта статья была откло- нена редакцией на основании того, что «не представляет интереса с точ- ки зрения прикладной физики». Поэ- тому Крёмер отправил свою статью в журнал Proceedings of the IEEE, где она была принята для публикации 12 декабря 1963 года [6]. Используя свои отмеченные выше разработки в области широкозон- ных транзисторов, Крёмер предло- жил свою собственную конструкцию инжекционных лазеров с гетероген- ными переходами [7]. В августе 1963 года Герберт Крёмер подал заявку на патент для своей кон-