книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

Обратная связь через рассеяние важна также в наблюдаемой лазерной генерации молекулярными облаками H2O, OH, SiO в космосе.

Рассеяние в качестве обратной связи может заменить зеркальную обратную связь в рентгеновском диапазоне.

Список литературы

1.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: учеб. пособие: в 2 т. – Долгопрудный: Интеллект, 2012. – Т. 2. – 784 с.

2.Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники / Дж.М. Мар- тинес-Дуарт [и др.]. – М.: Техносфера, 2009. – 368 с.

3.Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: ЛИБРОКОМ, 2009. – 592 с.

4.Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: учеб. пособие. –

СПб.: Лань, 2011. – 544 с.

5.Кирчанов В.С. Наноматериалы и нанотехнологии: учеб пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – 241 с.

41

ГЛАВА 3. ФОТОПРИЕМНИКИ

Оптоэлектроника – область физики и техники, использующая эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов. Оптоэлектроника подразделяется на когерентную оптоэлектронику

иоптронику, изучающую замену электрических связей оптическими. Когерентная оптоэлектроника включает оптическую связь, запоминание

иобработку информации, голографию и интегральную оптику. Основными элементами оптоэлектроники являются источники из-

лучения, когерентные и некогерентные, фотоприемники, модуляторы, дефлекторы, волоконные световоды и согласующие элементы, мультиплексоры и демультиплексоры, пространственно-временные модуляторы света (управляемые транспаранты), используемые для двумерного динамического отображения и обработки информации. Таким образом, базовые элементы оптической электроники совпадают с устройствами фотоники и оптоинформатики.

3.1. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Источники излучения рассмотрены ранее в гл. 1. Некогерентные источники – светодиоды на основе гетероструктур, AlGaAs, с рекордным КПД 20 %. Когерентные источники излучения – инжекционные лазеры с шириной линии порядка 0,1 нм, расходимость пучка не более 30°, КПД до 50 %. Освоен диапазон волн от 0,78 до 1,55 мкм. Частота модуляции излучения инжекционных лазеров достигает 20 ГГц.

3.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ1

Большинство фотоприемников работают на основе внутреннего фотоэффекта, когда происходит фотогенерация подвижных носителей заряда. Возбужденные светом носители заряда (электроны и дырки) остаются внутри образца. Полупроводниковый фотодиодный приемник

– это структура с p–n-переходом, обратный ток которого возрастает при

1 По материалам работ 1, 2 .

42

поглощении фотонов. Фотоны, поглощаемые в обедненном слое, генерируют электроны и дырки, которые под действием локального электрического поля слоя дрейфуют в противоположных направлениях.

Существует три режима работы фотодиода: режим холостого хода (фотогальванический), короткозамкнутый и обратно-проводящий (фотопроводящий). В режиме холостого хода свет генерирует элек- тронно-дырочные пары в обедненном слое.

Дополнительные электроны, высвобожденные со стороны n-слоя, рекомбинируют с дырками с p-слоя, и наоборот. В результате повышается электрическое поле, что создает на приборе фотоЭДС, величина которой растет с увеличением потока фотонов. Этот режим используется в солнечных фотоэлементах в качестве преобразователей световой энергии в электрическую.

В качестве приемника p–i–n-фотодиод содержит p–n-переход со слоем собственного слаболегированного полупроводника между p- и n-слоя- ми. Схема энергетических зон, распределение заряда и электрического поля в обратносмещенном p–i–n-фотодиоде показаны на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема энергетических зон, распределение заряда и электрического поля (а) и структура p–i–n-фотодиода (б). Прибор может освещаться либо перпендикулярно, либо параллельно плоскости перехода [1]

Эта структура служит для расширения обедненного слоя, в котором существует электрическое поле. Преимущество p–i–n-фотодиода перед p–n-фотодиодом заключается в следующем: увеличивается объем, с которого собирается свет. Время дрейфа увеличивается с ростом тол-

43

щины обедненного слоя. Большая часть генерируемого тока переносится быстрым дрейфовым процессом, а не медленным диффузионным. Фотодиод представляет собой p–n-переход, обратный ток которого возрастает при поглощении фотонов. Фотодиоды не обладают усилением.

Гетероструктурные фотодиоды, образованные двумя полупро-

водниками с разной шириной запрещенной зоны, обладают преимуществом перед диодами на p–n-переходах из одного материала. Гетероструктуры, которые используются для фотодетекторов (см. рис. 3.1, а):

– AlxGa1 xAs/GaAs (решетка AlGaAs согласуется с подложкой

GaAs), соединение используется в области длин волн 0,7–0,87 мкм;

– AlxGa1 xAs/InP (решетка AlGaAs согласуется с подложкой InP).

Соединение можно перестраивать за счет состава в ИК-диапазоне длин волн 1300–1600 нм оптоволоконной связи. Типичный p–i–n-фотодиод, работающий на 1550 нм, имеет квантовую эффективность 0,75 и токовую чувствительность 0,9 А/Вт;

– InxGa1 xAs/InP перестраивается за счет состава в диапазоне

длин волн 1300–1600 нм для оптоволоконной связи (решетка InGaAs согласуется с подложкой InP). Типичный p–i–n-диод, работающий на 1550 нм, имеет квантовую эффективность η 0,75 и токовую чувстви-

тельность фотоприемника 0,9 А/Вт. Квантовая эффективность η 1 R ς 1 exp αd , где R – оптический коэффициент отражения

от поверхности; ς – доля электронно-дырочных пар, которые вносят

вклад в ток приемника; α – коэффициент поглощения материала; d – толщина фотоприемника. Токовая чувствительность фотоприемника – это коэффициент пропорциональности между электрическим током и оптической мощностью приемника, А/Вт:

hηνe ;

–HgxCd1 xTe/CdTe – материал используется в средней инфра-

красной области спектра. Соединения HgTe и CdTe имеют почти одинаковые постоянные решетки и согласуются по постоянной решетки почти при любом составе. Ширина запрещенной зоны перестраивается за счет состава и работает в диапазоне 3–17 мкм. Это приборы ночного видения, тепловизоры и длинноволновая ИК-оптическая связь (см. рис. 2.5);

44

– In1 xGaxAs1 yPy /InP и Ga1 xAlxAsySb/GaSb – четырехкомпо-

нентные материалы применяются в диапазоне длин волн 0,92–1,7 мкм. Четвертый материал (фосфор или сурьма) обеспечивает дополнительную степень свободы для согласования постоянных решетки при различных значениях ширины запрещенной зоны, которая определяется составом соединения.

Фотодиоды p–i–n-диоды и фотодиоды на барьерах Шоттки.

В p–i–n-диодах быстродействие меньше 1 нс, квантовая эффективность до 90 %, усиление фототока практически отсутствует, материалы: GaAs ( 0,8 мкм), InGaAs ( 1,3...1,5 мкм). В фотодиодах Шоттки

структуры металл–полупроводник содержат гетеропереходы между металлом и полупроводником. Быстродействие меньше или равно 1 нс, квантовая эффективность до 40 %, материалы: n-GaAs, GaAs–AlGaAs,

InGaAs ( 0,82...1,6 мкм).

В оптических системах связи обычно используют два типа детекторов для фотоприемников: p–i–n-фотодиод и лавинный фотодиод (ЛФД). Детекторы в области 870 нм используют кремниевые фотодиоды и ЛФД. В современных предусилителях кремниевые ЛФД имеют преимущество в 10–15 дБ по обнаружительной способности, по сравнению с p–i–n-фотодиодами. Детекторы в области 1300–1500 нм используют p–i–n-фотодиоды из InGaAs и Ge. Материал InGaAs имеет меньший темновойшуми большуютемпературнуюустойчивость, чемгерманий.

Лавинные фотодиоды на гетероструктурах в области поглощения используют материал с узкой запрещенной зоной InGaAs, плавный переход материалом InGaAsP к материалу с широкой запрещенной зоной InP в области умножения (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Структура лавинного фотодиода (ЛФД) с поглотителем и умножителем, разделенными переходным слоем (SAGM) [1]

45

Селенид ртути HgSe и теллурид ртути HgTe являются полуметаллами с малой отрицательной шириной запрещенной зоны и имеют почти одинаковые решетки. Трехкомпонентный полупроводник HgxCd1 xTe можно выращивать без напряжений на подложке CdTe.

Этот материал является основным для фотоприемников в средней инфракрасной области (см. рис. 2.5).

В качестве фотоприемников используются также планарные фотосопротивления с малым зазором между омическими контактами и экстрагирующими электродами. Быстродействие 80–200 пс, матери-

алы: InGaAs, p-GaAs, у которого 0,85 мкм.

3.3. СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ2

Солнечные фотоэлементы (СЭ) – устройства, преобразующие солнечную энергию в электрический ток. Действие солнечного элемента основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта, т.е. возникновения свободных носителей заряда электронов и дырок в твердом теле при поглощении в нем квантов электромагнитного поля (фотонов).

Основные характеристики солнечных фотоэлементов

Напряжение холостого хода Vxx – напряжение на СЭ при беско-

нечном сопротивлении внешней нагрузки.

Ток короткого замыкания Iкз – максимальный ток, возникающий

под действием солнечного света, когда освещенный СЭ замкнут накоротко во внешней цепи. Он зависит от площади элемента, числа падающих фотонов, разных энергий, оптической эффективности.

Коэффициент заполнения FF IнUн / IкзVxx – отношение макси-

мальной мощности СЭ к произведению IкзVxx – равен максимальной

площади прямоугольника, который можно вписать в вольт-амперную характеристику СЭ (рис. 3.3, а).

Коэффициент полезного действия КПД IнUн /Pc – отношение

мощности, вырабатываемой СЭ, к мощности падающего на него солнечного излучения.

2 По материалам работы 3 .

46

3.3.1. Классификация солнечных элементов

Солнечные элементы диодного типа используют разделение зарядов, созданных внешним освещением, на границе раздела двух сред с p- и n-типами проводимости. В зависимости от толщины активной области СЭ диодного типа подразделяются на системы с объемными кристаллическими подложками (Si, Ge, GaAs) и системы с тонкими пленками кристаллической, микрокристаллической или аморфной структуры.

Простой СЭ диодного типа на основе кремния показан на рис. 3.4. Сетчатый верхний электрод запрессован в стекло. Второй слой – просветляющее покрытие; 3-й слой – легированный кристаллический кремний с-Si n-типа; 4-й слой – p–n-переход; 5-й слой – легированный c-Si p-типа; 6-й слой – нижний металлический контакт.

Рис. 3.4. СЭ диодного типа на основе кремния: а – простейший вариант с сетчатым верхним электродом; б – эквивалентная схема СЭ.

Ток в нагрузке RL состоит из темнового тока диода Id и фототока Ipf [3]

Исторически первыми СЭ стали элементы на основе кристаллического кремния (c-Si) и кристалического германия (Ge). Они составляют 90 % всего рынка и имеют в среднем КПД 20 %. Недостатки: высокая стоимость, токсичность производства.

СЭ тонкопленочные второго поколения изготавливаются из аморфного (a-Si) микрокристаллического (µс-Si), поликристаллического кремния (multi-cSi), многокомпонетных полупроводников группы A3B5 (GaP, InP, GaAs) и A2B6 (CdTe), многокомпонетных полупровод-

ников типа CuInS2 , Cu(In,Ga)(Se,S)2 , Cu2ZnSn(Se,S)4. Это прямозон-

ные полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,1 эВ, имеют высокие коэффициенты поглощения (от 104 см 1 ).

48

Структура всех СЭ на основе халькоперитов Cu(In,Ga)(Se,S)2 , сокращенно CIGS, и кестеритов Cu2ZnSn(Se,S)4 диодная. Они высту-

пают как полупроводники p-типа, осажденные на стеклянную подложку с тонким слоем окисла металла Mo в качестве нижнего контакта. Формируется p–n-структура нанесением тонкого (порядка 50 нм) слоя широкозонного полупроводника Cd с допированием n-типа. Наносимые поверх слоя CdS тонкие слои прозрачного оксида цинка ZnO и проводящего индий оксид титана InTiO2 (ITO), играющие роль верх-

него контакта, завершают диодную структуру. СЭ на основе халькоперитов имеют КПД около 20 %, кестеритов – 10 % (рис. 3.5). Солнечные батареи на основе таких СЭ являются гибкими или пластичными тонкими пленками, они заняли 10 % рынка с 1980-х гг.

Рис. 3.5. Изображение структуры СЭ на основе CIGS в разрезе, полученное сканирующим электронным микроскопом (а) и структура p–n-перехода в оптимизированном тонкопленочном СЭ на основе CIGS, где SCR – область с пространственным разделением заряда

и QNR – квазинейтральная область (б) [3]

СЭ третьего поколения – это СЭ на основе пигментов (органических красителей), органо-неорганических полупроводников, квантовых точек, на горячих электронах. Все СЭ имеют ограничение в земных условиях на КПД 30 %, возникающее из-за большого диапазона частот солнечного света (кроме рассмотренных ниже каскадных СЭ).

В каскадных СЭ с разделением солнечного спектра фотоэлектрический материал образован многослойной структурой с толщиной 1–5 мкм, содержащей 2–4 полупроводниковых p–n-перехода. Каждый фотоэлектрический слой рассчитан на поглощение определенной части

49

диапазона солнечного света. Расширение полосы частот сопровождается повышением предела для КПД, так как фотоны с энергией ниже ширины данного слоя проходят в следующий слой. Это позволяет конвертировать спектр фотонов солнечного света от 0,6 до 2 эВ. Существует два метода изготовления многопереходных СЭ. Это рост слоев молекулярно-пучковой эпитаксией или осаждением из газовой фазы.

Материалы для СЭ – это полупроводниковые соединения A3B5

или плотные решетки квантовых точек. Главным критерием является согласование кристаллической структуры каждого слоя с соседями. Для СЭ с двумя слоями оптимальной структурой является InGaP/GaAs с максимальным КПД в земных условиях, равным 31 %, при его 200-крат- ной концентрации. Для структуры из трех слоев InGaP/GaAs/Ge КПД на Земле достигает 38 %. Для многослойной структуры, состоящей из верхнего СЭ, легированного AlInGaP, с шириной зоны 1,86 эВ, среднего СЭ, легированного InGaAs, c шириной 1,4 эВ, нижнего СЭ, содержащего подслои Ge, с шириной 0,65 эВ получен рекордный КПД 45–46 % (рис. 3.6). Стоимость многопереходных СЭ велика (на порядок превышает стоимость СЭ первого и второго поколений) и наполовину определяется стоимостью германия, как основного элемента нижнего слоя СЭ. Применяются в основном для стабильного электропитания космических аппаратов в жестких условиях солнечной радиации, солнечного ветра (протоны) и космического гамма-излучения.

Рис. 3.6. Структура типичного многопереходного элемента с тремя фотоэлектрическими слоями (а) и схематическое изображение поглощения элементом в определенных частях солнечного спектра (б) [3]

50