Прямозонный полупроводник

Прямозонный полупроводник — это полупроводниковый материал, в котором минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны в энергетическом спектре электронов находятся при одном и том же значении квазиимпульса (волнового вектора k). Такое расположение зон делает возможным прямые (вертикальные) оптические переходы электронов между зонами без участия фононов, что обеспечивает высокую эффективность излучательной рекомбинации. Прямозонные полупроводники являются основой для создания оптоэлектронных приборов: светодиодов, лазерных диодов и фотодетекторов.

Физические основы

Энергетические зоны и зонная структура

В кристаллическом полупроводнике электроны могут находиться в разрешённых энергетических зонах — валентной зоне (заполненной электронами при низких температурах) и зоне проводимости (свободной или частично заполненной). Между ними располагается запрещённая зона — область энергий, в которой электроны не могут находиться в идеальном кристалле. Энергетический спектр электронов описывается дисперсионным соотношением E(k), где k — волновой вектор, характеризующий квазиимпульс.

В прямозонном полупроводнике экстремумы зон (минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны) совпадают по k. Например, в арсениде галлия (GaAs) минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны находятся в центре зоны Бриллюэна (точка Γ, k=0). В непрямозонном полупроводнике, таком как кремний (Si), минимум зоны проводимости смещён относительно максимума валентной зоны по оси k (например, вблизи точки X зоны Бриллюэна).

Прямые и непрямые оптические переходы

При поглощении или испускании фотона электрон переходит из одного состояния в другое. Закон сохранения квазиимпульса требует, чтобы изменение волнового вектора электрона Δk равнялось волновому вектору фотона k_фотон. Поскольку волновой вектор фотона в оптическом диапазоне (видимый и ближний инфракрасный свет) пренебрежимо мал по сравнению с размерами зоны Бриллюэна, переходы возможны только при Δk ≈ 0. Это означает, что электрон переходит между состояниями с одинаковым k.

В прямозонном полупроводнике такой переход возможен напрямую: электрон из валентной зоны с k=0 переходит в зону проводимости с тем же k=0. В непрямозонном полупроводнике для перехода требуется изменение k, что возможно только с участием фонона — кванта колебаний кристаллической решётки. Фонон может передать или забрать импульс, компенсируя разницу в k. Однако такие процессы имеют гораздо меньшую вероятность, так как требуют одновременного взаимодействия с фотоном и фононом.

Ключевые свойства

Высокая эффективность излучательной рекомбинации

Излучательная рекомбинация — процесс, при котором электрон из зоны проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной зоне, испуская фотон. В прямозонных полупроводниках этот процесс является прямым и быстрым, так как не требует участия фонона. Время жизни носителей заряда при излучательной рекомбинации составляет от нескольких наносекунд до микросекунд. В непрямозонных полупроводниках излучательная рекомбинация маловероятна, и доминирует безызлучательная рекомбинация (например, оже-рекомбинация или рекомбинация через дефекты), что делает их непригодными для создания эффективных источников света.

Коэффициент поглощения

Прямозонные полупроводники имеют высокий коэффициент поглощения света вблизи края фундаментального поглощения (энергии, соответствующей ширине запрещённой зоны). Для GaAs коэффициент поглощения составляет порядка 10⁴–10⁵ см⁻¹ в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Это означает, что слой толщиной всего в несколько микрометров может поглотить практически весь падающий свет. В непрямозонных полупроводниках, таких как кремний, коэффициент поглощения вблизи края зоны на несколько порядков меньше, поэтому для эффективного поглощения требуются более толстые слои (сотни микрометров).

Температурная зависимость

Ширина запрещённой зоны прямозонных полупроводников уменьшается с ростом температуры, что приводит к сдвигу края поглощения и длины волны излучения в длинноволновую область. Например, для GaAs температурный коэффициент составляет около -0,5 мэВ/К. Это свойство учитывается при проектировании лазерных диодов и светодиодов, работающих в широком диапазоне температур.

Классификация и примеры

Элементарные полупроводники

Среди элементарных полупроводников (элементов IV группы) прямозонными являются только некоторые модификации. Например, серый олово (α-Sn) — прямозонный полупроводник с нулевой шириной запрещённой зоны. Кремний и германий — классические непрямозонные полупроводники.

Бинарные соединения A³B⁵

Наиболее известные прямозонные полупроводники — это соединения III и V групп (A³B⁵), такие как:

• Арсенид галлия (GaAs) — ширина запрещённой зоны 1,42 эВ при 300 K, используется в светодиодах, лазерных диодах, высокочастотных транзисторах.
• Фосфид индия (InP) — ширина зоны 1,34 эВ, применяется в оптоэлектронике для телекоммуникаций (лазеры на 1,55 мкм).
• Нитрид галлия (GaN) — ширина зоны 3,4 эВ, основа синих и ультрафиолетовых светодиодов и лазеров.
• Антимонид индия (InSb) — ширина зоны 0,17 эВ, используется в инфракрасных детекторах.

Бинарные соединения A²B⁶

Соединения II и VI групп (A²B⁶) также часто являются прямозонными:

• Селенид цинка (ZnSe) — ширина зоны 2,7 эВ, применяется в синих светодиодах и лазерах.
• Теллурид кадмия (CdTe) — ширина зоны 1,5 эВ, используется в солнечных элементах и детекторах гамма-излучения.
• Оксид цинка (ZnO) — ширина зоны 3,4 эВ, перспективен для ультрафиолетовой оптоэлектроники.

Твердые растворы

Путём смешивания полупроводников с разными ширинами запрещённой зоны можно создавать тройные и четверные твёрдые растворы, сохраняющие прямозонную структуру. Например, AlGaAs (алюминий-галлий-арсенид) позволяет варьировать ширину зоны от 1,42 эВ (GaAs) до 2,16 эВ (AlAs) при сохранении прямозонности до определённого состава. Такие материалы используются в гетероструктурах для лазеров и светодиодов.

Применение

Светодиоды

Прямозонные полупроводники являются основой для всех современных светодиодов (LED). При пропускании тока через p-n-переход электроны и дырки рекомбинируют, излучая фотоны. Цвет излучения определяется шириной запрещённой зоны: GaAs — инфракрасный, GaP (фосфид галлия) — зелёный, GaN — синий/ультрафиолетовый. Белые светодиоды получают комбинацией синего светодиода на GaN и жёлтого люминофора.

Лазерные диоды

В лазерных диодах используется стимулированное излучение в прямозонном полупроводнике. Инжекция носителей через p-n-переход создаёт инверсию населённостей, и при наличии оптического резонатора (например, сколотых граней кристалла) возникает лазерная генерация. Примеры: GaAs-лазеры на 850 нм (CD-приводы), InP-лазеры на 1,3 и 1,55 мкм (волоконно-оптическая связь), GaN-лазеры на 405 нм (Blu-ray).

Фотодетекторы

Прямозонные полупроводники используются в фотодиодах и солнечных элементах благодаря высокому коэффициенту поглощения. Например, GaAs-фотодиоды эффективны в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, а InGaAs — в телекоммуникационном диапазоне 1,3–1,6 мкм.

Солнечные элементы

Хотя кремний доминирует в солнечной энергетике, прямозонные полупроводники, такие как GaAs и CdTe, обеспечивают более высокую эффективность преобразования (до 30% в лабораторных условиях) благодаря лучшему поглощению света. GaAs-солнечные элементы используются в космических аппаратах и концентраторных системах.

Сравнение с непрямозонными полупроводниками

Ограничения и недостатки

Несмотря на преимущества в оптоэлектронике, прямозонные полупроводники имеют ряд недостатков. Многие из них (например, GaAs, InP) дороже и сложнее в производстве, чем кремний. Они часто требуют эпитаксиального роста на подложках (например, GaAs на GaAs), что увеличивает стоимость. Кроме того, некоторые прямозонные материалы (например, CdTe) содержат токсичные элементы (кадмий), что ограничивает их применение в бытовой электронике. В высокочастотной электронике GaAs и InP конкурируют с кремниевыми технологиями, но уступают по степени интеграции и стоимости.

Источники

• Киттель Ч. «Введение в физику твёрдого тела». — М.: Наука, 1978.
• Зи С. «Физика полупроводниковых приборов». — М.: Мир, 1984.
• Ашкрофт Н., Мермин Н. «Физика твёрдого тела». — М.: Мир, 1979.
• Пихтин А. Н. «Оптическая и квантовая электроника». — М.: Высшая школа, 2001.
• Sze S. M., Ng K. K. «Physics of Semiconductor Devices». — 3rd ed. — Wiley, 2007.