УДК 621.3

Полупроводники для оптоэлектроники

Мелешенко Дмитрий Юрьевич – аспирант кафедры конструирования и технологии электронных систем и устройств Самарского национального исследовательского университета им. академика С.П. Королева

Пиганов Михаил Николаевич – доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и технологии электронных систем и устройств Самарского национального исследовательского университета им. академика С.П. Королева

Аннотация: Благодаря своим важным характеристикам в области интегральных электронных схем и КМОП-процессов кремний является одним из наиболее часто используемых полупроводников в электронной промышленности. На самом деле исследования ведутся в направлении использования этого материала также для фотонных приложений, пытаясь интегрировать фотонные устройства на полупроводниковые платформы с целью улучшения характеристик интегральных схем, например, увеличения скорости передачи. Исследования, насколько эффективно встраивать фотонные компоненты в кремниевые интегральные схемы показали, что основным недостатком использования технологии на основе кремния в фотонных схемах является то, что кремний является полупроводником с непрямой запрещенной зоной, а это означает, что он не идеально подходит для изготовления активных оптических устройств, таких как лазеры, поскольку в процессах рекомбинации нет энергии-импульса. 

Ключевые слова: кремний, полупроводники, оптоэлектроника.

Введение

За последние десятилетия, с момента изобретения транзистора, исследования сделали много шагов вперед в направлении оптимизации характеристик устройств за счет изучения электронных процессов и материалов, в частности кремния, особые электронные свойства которого гарантировали лидирующее положение в области полупроводников для электронных устройств.

Полупроводники для оптоэлектроники

В последние годы исследования продвинулись в направлении изучения полупроводников для оптоэлектронных приложений; к сожалению, наиболее часто используемый материал, кремний, не смог гарантировать равный успех в этой области, будучи полупроводником с непрямой запрещенной зоной, как показано ниже, что привело к использованию полупроводниковых соединений для преодоления этих физических ограничений. В полупроводниках разрешенные состояния для электронов, полученные с помощью уравнений Шредингера, образуют не дискретные энергетические уровни, а две непрерывные энергетические зоны. Этими двумя полосами являются энергетическая зона проводимости и энергетическая зона валентности, энергетическое разделение между ними называется энергетической щелью Eg. Оптические процессы, происходящие в полупроводнике, строго зависят от того, как расположены эти полосы, выровнены они или нет, и от их характеристик, что подробно показано на рисунке 1.

1

Рисунок 1. Полупроводник с прямой запрещенной зоной и полупроводник с непрямой запрещенной зоной.

Полупроводники с прямой запрещенной зоной

Если максимум валентной зоны совпадает с минимумом зоны проводимости, полупроводник называется прямозонным, а это означает, что k-вектор, импульс кристалла электронов и дырок, одинаков как в проводимости, так и в валентности. группа. К этой категории относятся многие полупроводники, в том числе аморфный кремний и соединения полупроводников III-V групп. Материалы этой категории особенно важны для целей оптоэлектроники, поскольку они могут напрямую взаимодействовать с фотонами, которые могут обеспечить энергию, необходимую для продвижения электронов из валентной зоны в зону проводимости, сохраняя при этом соотношение энергия-импульс, также называемое дисперсионным соотношением E(k), так что без изменений в k-векторе.

Полупроводники с непрямой запрещенной зоной

С другой стороны, если минимум зоны проводимости не совпадает с максимумом валентной зоны, полупроводник называется непрямой запрещенной зоной. В этом случае импульс кристалла (k) различен в двух энергетических зонах. В этой ситуации для взаимодействия между фотонами и электронами требуется большой импульс, который фотоны обеспечить не в состоянии, поэтому в этом взаимодействии участвуют также колебания решетки (фононы). Поскольку участвуют три частицы, т. е. электрон, фотон и а фонон, процесс происходит с меньшей скоростью, чем в случае прямозонных полупроводников. Кроме того, стоит указать, что в кремнии и вообще в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной участвуют два важных процесса без излучательной рекомбинации:

Оже-рекомбинация и поглощение свободных носителей (FCA). В частности, первый, то есть явление Оже, представляет собой процесс безызлучательной рекомбинации, означающий, что свет не будет излучаться в результате рекомбинации пары дырка-электрон. Явление оже-рекомбинации происходит, когда возникает электронно-дырочная пара, но избыточная энергия вместо фотона передается носителям, то есть электронам или дыркам, которые будут возбуждены на более высокие энергетические уровни внутри энергетического поля. группа.
Скорость рекомбинации из-за этого явления для обоих носителей будет:

RA = Cen 2 p RA = Chp 2n

Если плотность электронов и плотность дырок равны, эта скорость рекомбинации будет:

RA = Cn3 (1.2)

В материалах, где C = Ce+Ch.In с большой шириной запрещенной зоны, этим эффектом можно пренебречь, в то время как в полупроводниках с достаточно малой шириной запрещенной зоны, где актуальна оже-рекомбинация, она будет влиять на генерацию при увеличении тока. Другим упомянутым явлением является поглощение свободных носителей (FCA), это эффект внутризонного поглощения, который возникает, когда полупроводник поглощает падающий фотон, а носитель, лежащий в уже возбужденном состоянии, затем возбуждается до более высокого уровня энергии, все еще в том же состоянии. полоса энергии.

Заключение

Постоянное расширение технологических исследований заставило обратить внимание на возможность интеграции оптоэлектронных компонентов в платформы Silicon. Наличие разных оптических элементов в одной фотонной интегральной схеме означает, что свет проходит через волноводы и другие компоненты на одном и том же планарном чипе, и его можно генерировать, модулировать и обнаруживать. Выбор кремния в качестве материала для интеграции этих фотонных схем можно объяснить следующими причинами:

  • Платформы с кремниевыми чипами недороги и уже используются для технологии CMOS и интегральных схем, что позволяет интегрировать как фотонные, так и электронные схемы на на одном чипе.
  • Кремниевые литейные заводы, производящие кремниевые пластины с высокой степенью контроля, уже существуют, поэтому легче производить устройства с меньшим количеством дефектов, т.е. междоузельных или поверхностных дефектов.
  • Прозрачность кремния на длинах волн более 1,1 мкм делает его идеально подходящим для оптической связи.

Несмотря на все преимущества и то, что многие оптические устройства были успешно разработаны в кремниевой фотонике, основным недостатком остается то, что для полноценного использования кремниевого фотонного устройства необходим лазерный источник, который, к сожалению, до сих пор отсутствует из-за физических трудностей. упомянутое выше. Помимо этого, одной из самых сложных тем является интегрируемость фотоники с платформами.

Список литературы

  1. Федеральная космическая программа России на 2016 – 2025 годы. – [Электронный ресурс] – URL: https://www.roscosmos.ru/22347/.
  2. Белоус А.И. Космическая электроника. В 2-х книгах. Книга 2 / А.И. Белоус, В.А. Солодуха, С.В. Шведов. – Москва: Техносфера, 2015. – 696 с.
  3. Мишанов Р.О. Исследование признаков, видов, причин и механизмов отказов микросхем, выполненных по КМОП-технологии // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». Под ред. Н.К. Юркова. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2017. – Т. 2. – С. 228-234.
  4. Jia-ming Liu. Photonic Devices. Cambridge University Press, Apr. 2005. doi: 10.1017/cbo9780511614255. url: https://doi.org/10.1017/cbo9780511614255.
  5. Minhaz Abedin. A Self-Adjusting Lin-Log active pixel for wide dynamic range CMOS image sensor. PhD thesis. Oct. 2015. doi: 10.13140/RG.2.1.3871. 8965.
  6. Giovanni Ghione. Semiconductor Devices for High-Speed Optoelectronics. Cambridge University Press, Oct. 2009. doi: 10.1017/cbo9780511635595. url: https://doi.org/10.1017/cbo9780511635595.

Интересная статья? Поделись ей с другими: