Утверждением,
что кремний - перспективный
оптоэлекторонный материал, наверное, уже
мало кого удивишь. Несколько месяцев назад
на сайте ПЕРСТ была опубликована обстоятельная
подборка материалов на эту тему [1]. И, хотя
это все лишь первые признаки наступления
кремниевой оптоэлектроники, на наших
глазах сообщения об излучающих приборах на
кремнии перестают восприниматься как
экстремальная экзотика, а постепенно
перемещаются в категорию проблем
инженерной физики.
Однако кремний сохранил
способность преподносить сюрпризы с
неожиданной стороны.
В
полупроводниковой электронике имеется
проблема эффективного излучателя белого
света. Собственно, еще недавно такой
проблемы перед полупроводниковой
электроникой не стояло. Появление красных,
зеленых, а потом и синих полупроводниковых
диодов и лазеров каждый раз неизменно и
заслуженно воспринималось на "ура", но на
монополию лампочки накаливания снабжать
нас электромагнитным излучением в широком
диапазоне длин волн никто всерьез не
покушался. Да и хорошо усвоенные
фундаментальные понятия физики
полупроводников, такие, как ширина
запрещенной зоны, излучательная
рекомбинация и тому подобные, не
стимулировали к поискам, казалось бы,
невозможного и не очень нужного.
Ситуация
переменилась, когда квантовый выход
полупроводниковых излучателей в
коротковолновой части видимого диапазона
стал заметно превышать КПД лампочек
накаливания. Стало понятно, что,
преобразовав каким-либо образом имеющиеся
коротковолновые кванты, мы сможем получать
необходимый и привычный нам видимый свет
гораздо более эффективно, чем теперь. Та же
идея используется в лампах дневного света,
где люминофор, нанесенный на стекло трубки,
преобразует ультрафиолетовые линии
возбужденных атомов ртути в широкополосное
видимое свечение. Кстати, на органических
полупроводниках источник белого света уже
создан, причем в нем нет внешнего
переизлучателя, а эффект белого свечения
создается суперпозицией нескольких
широких полос из разных областей спектра [2].
Однако при чем тут может быть
кремний с его шириной запрещенной зоны в 1.1эВ,
если даже для того, чтобы перекрыть видимый
диапазон, нужно как минимум фотоны с
энергией до 3эВ, а если иметь в виду создание
источника для последующего переизлучения,
то и того больше? Тем не менее, ошибки нет,
кремний изучает белый свет. Эффект
обнаружен, объяснен и опубликован в
выходящем выпуске журнала Physica
B [3].
Для выяснения механизма этого
излучения необходимо вспомнить принцип
работы каскадного инфракрасного лазера,
предложенного когда-то еще в СССР [4]. Такой
лазер представляет собой
последовательность одинаковых квантовых
ям, смещенных
по потенциалу приложенным
внешним напряжением. Носитель туннелирует
в такую яму со дна соседней через
достаточно тонкий потенциальный барьер; из-за
взаимного смещения потенциалов носитель в
новой яме оказывается в возбужденном
состоянии и излучает. После этого,
оказавшись на дне этой потенциальной мы, он
снова туннелирует в соседнюю, лежащую ниже
потенциальную яму и снова излучает на той
же частоте, что и в предыдущей. Пройдя
последовательность ям, электрон
разменивает энергию электрического
смещения, поданного на всю серию ям, на
последовательность энергий квантов
инфракрасного диапазона.
При создании в кремнии системы
сверхтонких самоорганизующихся
диффузионных профилей подобные
последовательности ям (наподобие каскадных
лазеров) могут образоваться как в валентной
зоне, так и в зоне проводимости. (О
технологии самоорганизующихся сверхтонких
диффузионных профилей смотри в том же
обзоре в Персте [1], ссылки [19,20].) При
соответствующем подборе материала
контактов приложение внешнего напряжения
приводит и к инжекции дырок со стороны
положительного электрода, и к встречной
инжекции электронов из отрицательного
электрода. И, как оказалось, потенциальные
барьеры в подобных структурах получаются
столь тонкими, что носители успевают "сходу"
проскочить несколько барьеров и ям, не
успев "срелаксировать" по энергии. В
результате такая структура начинает
излучать не только в результате
внутризонных переходов (как в каскадных
лазерах), но и по механизму межзонной
рекомбинации между инжектированными
электронами и дырками. И, поскольку в каждой
яме оказываются носители,
протуннелировавшие без потери энергии не
только из соседних ям, но из целого набора
вышележащих ям по соседству, энергия
рекомбинирующих пар носителей, во первых -
существенно превышает Eg
кремния, а, во вторых - из-за случайности
процесса туннелирования испытывает
довольно большой разброс и описывается
Гауссовой функцией. Тут неожиданно
вступает в игру еще один фактор: так
называемая "кривая видности" глаза
совершенно случайно(?) также хорошо
описывается Гауссовой кривой. Более того,
спектральное положение и ширина у "кривой
видности" оказываются как раз такими же,
как и у полосы видимого свечения из
описываемых кремниевых структур. Сравнение
профилей стандартной "кривой видности" и
спектра свечения описанной структуры
приведены на рисунке статьи [3]. Сходство
приведенных кривых действительно
очевидное. Вот так, благодаря Гауссовой
функции, которая столь распространена в
природе, узкозонный кремний оказался еще и
излучателем белого света.
М.Компан (kompan@solid.ioffe.rssi.ru)
- ПерсТ, 2001, 8, вып. 12, стр.3
- Show-An Chen, Kuen-Ru Chuang, Ching-Ian Chao, Hsun-Tsing Lee. Syntetic
Metals. 1996, 82, p.207-210
- N.T.Bagraev, A.D.Bouravlev, L.E.Klyachkin, A.M.Malyarenko. Physica B (in
press)
- R.F.Kazarinov, R.A.Suris. Sov. Phys. Semicond. 1971, 51, p.77
from: PERST
add red. lent.
