Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки

• Название: Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
• Анкор: Технологии нанообработки_3.doc
• Дата: 22.02.2017
• Размер: 8.65 Mb.
• Имя файла: Технологии нанообработки_3.doc
• Тип: Документы; #2980
• страница: 24 из 27

10.3.Применение квантовых полупроводниковых структур

10.3.1. Резонансный туннельный диод

Одним из наиболее эффективных устройств, построенных на базе квантово-размерных полупроводниковых наноструктур, является резонансный туннельный диод.

В основе туннельного эффекта лежит отличие поведения квантовой частицы от классического. В классической физике, если полная энергия частицы меньше потенциальной энергии в области барьера, то эта частица отражается и затем движется в обратном направлении. В том случае, когда полная энергия превышает потенциальную, барьер будет преодолен. Квантовая частица обладает свойствами волны вероятности. Даже если полная энергия меньше потенциальной, вероятность преодолеть барьер остается больше нуля. Это квантовое явление получило название «туннельный эффект».

Энергетическая схема этого прибора показана на рис. 10 .115. [Error: Reference source not found]. Он состоит из двух барьеров, разделенных областью с малой потенциальной энергией. Область между барьерами — это как бы потенциальная яма, в которой есть один или несколько дискретных уровней. Характерная ширина барьеров и расстояние между ними составляют несколько нанометров. Области слева и справа от двойного барьера играют роль резервуаров электронов проводимости, к которым примыкают контакты. Электроны занимают здесь довольно узкий энергетический интервал. В приборе используется следующая особенность двойного барьера: его туннельная прозрачность имеет ярко выраженный резонансный характер. Поясним природу этого эффекта. Для этого предположим, что прозрачность каждого барьера мала. Это, однако, не означает, что одновременно будет мала и вероятность туннелирования через двойной барьер. Оказывается, что в том случае, когда энергия электронов, налетающих на барьеры, равна энергии дискретного уровня, туннельная прозрачность резко возрастает. Механизм резонансного туннелирования таков: электрон, проникший в область между барьерами, надолго задерживается там, в результате многократного отражения от левого и правого барьеров существенно возрастает вероятность туннелирования. Одновременно можно сказать, что при резонансе из-за интерференции волн во внутренней области гасится волна, отражающаяся от двойного барьера. Следовательно, волна, упавшая слева, полностью проходит направо.


Рисунок 10.115 Схема работы и вольтамперная характеристика резонансного туннельного диода:
а — разность потенциалов равна нулю; б — на прибор подано резонансное напряжение, при котором ток максимальный; в — напряжение больше резонансного; г — вольтамперная характеристика. Штриховой линией показан энергетический уровень в области между двумя барьерами, пунктирной — уровни электронов в области контактов

 

Посмотрим теперь, как работает резонансный диод [Error: Reference source not found]. Ток, протекающий через двойной барьер, зависит от величины приложенного напряжения. Заметим, что потенциал в нашем приборе падает главным образом в области двойного барьера, так как области слева и справа от него обладают высокой проводимостью. Если приложенное напряжение мало и энергия электронов, налетающих на барьер слева, меньше энергии дискретного уровня, то прозрачность барьера и, следовательно, протекающий ток будут малы. Ток достигает максимального значения при таких напряжениях, когда энергия электронов равна энергии дискретного уровня (см. рис. 10 .115, б). При более высоких напряжениях энергия налетающих электронов станет больше энергии дискретного уровня, и туннельная прозрачность барьера уменьшится (см. рис. 10 .115, в). При этом ток также уменьшится. Вольтамперная характеристика резонансного туннельного диода показана на рис. 10 .115, г. Мы видим, что на вольт-амперной характеристике имеется максимум (если в области между барьерами не один, а несколько дискретных уровней, то и максимумов будет несколько). Справа от максимума кривая I (V) имеет падающий участок, где ток убывает с ростом напряжения. Можно еще сказать, что на вольтамперной характеристике имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления. Благодаря этому в электронных схемах резонансный диод может использоваться не только как выпрямитель, но и выполнять самые разнообразные функции. Если к центральной области резонансного диода подвести контакт, через который можно управлять положением дискретного уровня, получится новый прибор — транзистор. Из таких транзисторов, по-видимому, и будут строиться интегральные схемы новых поколений.

10.3.2.Лазерные устройства на квантовых ямах

Одним из наиболее успешных применений квантово-размерных полупроводниковых наноструктур является создание лазеров на квантовых ямах. В настоящее время лазерные устройства на квантовых ямах уже нашли практическое применение в волоконно-оптических линиях связи. Рассмотрим устройство и работу этих устройств [Error: Reference source not found].

Для работы любого лазера необходимо создать инверсную населенность энергетических уровней. Другими словами, на более высоком уровне должно находиться больше электронов, чем на низком, в то время как в состоянии теплового равновесия ситуация обратная. Кроме того, лазеру необходим оптический резонатор или система зеркал, которая запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме.

 Для того чтобы квантовую яму превратить в лазер, нужно ее подсоединить к двум контактам, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область. Пусть через один контакт электроны поступают в зону проводимости. Далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, они будут излучать кванты, то есть порции электромагнитного излучения (рис. 10 .116) [Error: Reference source not found]. Затем через валентную зону носители тока должны уходить на другой контакт. В квантовой механике доказывается, что частота излучения w определяется условием

(10.43)
где и — энергии первых энергетических уровней соответственно в зоне проводимости и валентной зоне, — ширина запрещенной зоны.



Рисунок 10.116 Энергетическая схема лазера на квантовой яме
Электромагнитное излучение, генерируемое лазером, нужно сконцентрировать в центральной, рабочей области прибора. Для этого показатель преломления внутренних слоев должен быть больше, чем внешних. Можно еще сказать, что внутренняя область играет роль волновода. На границах этого волновода нанесены зеркала, которые образуют резонатор.

 Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Очень важно, что эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Так, при уменьшении размеров ямы минимальные энергии электронов в зоне проводимости и в валентной зоне увеличиваются и частота, генерируемая лазером, возрастает. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную населенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономны, они питаются меньшим током, нежели другие полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой энергии — до 60% электрической мощности преобразуется в свет. В последнее время во многих лабораториях мира ведутся работы по созданию лазеров на квантовых точках.

10.3.3.Фотоприемники на квантовых ямах

Процессы оптической ионизации квантовых ям могут использоваться для создания новых типов приемников инфракрасного излучения. Принцип приемника весьма прост: выброс носителей в зону проводимости широкозонного полупроводника (потенциального барьера) увеличивает проводимость в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры.

По своему действию такой приемник напоминает примесный фоторезистор, где в роли центров выступают квантовые ямы [Error: Reference source not found]. Поэтому в качестве времени жизни неравновесных носителей выступает характерное время захвата в квантовую яму τ_q. По сравнению с обычным временем жизни, связанным с захватом на рекомбинационные центры, τq обладает двумя важными отличиями.

Во-первых, τ_q значительно (на несколько порядков) меньше времени захвата на центры. Причина в том, что акт захвата связан с необходимостью передачи решетке от носителя достаточно большой энергии, равной энергии связи центра или же величине ΔE при захвате в квантовую яму. Наиболее эффективный механизм передачи энергии — это испускание оптических фотонов с энергией . Однако энергия связи центров отнюдь не совпадает с , и потому такой процесс невозможен. Электрон должен отдавать энергию в ходе значительно более медленного каскадного процесса испускания многих акустических фононов. В случае квантовой ямы наличие непрерывного спектра движения в плоскости ямы существенно меняет ситуацию. Становится возможным переход на связанное состояние в яме при испускании оптического фонона с одновременной передачей оставшейся избыточной энергии в движение в плоскости ямы (рис. 10 .117 [Error: Reference source not found]). Если исходный электрон имел энергию, близкую к краю зоны в широкозонном материале, то из рис. 10 .117 видно, что испускаемый фонон должен иметь достаточно большой импульс

(10.44)
в плоскости квантовой ямы. Значительно большая величина взаимодействия электронов с оптическими фононами, нежели с акустическими, определяет малость τ_q по сравнению со временем захвата из центра.

Во-вторых, τ_q немонотонным, осциллирующим образом зависит от параметров ямы. Это связано со свойствами волновой функции электронов в делокализованных состояниях над квантовой ямой ψ_q. Если яма не является резонансной, то амплитуда этой волновой функции в непосредственной окрестности ямы при малой энергии электрона весьма мала. Собственно, τ_q будет относительно велико. Для резонансных квантовых ям вероятность захвата возрастает, т. е. τ_q падает.

Фотопроводимость рассматриваемой структуры, так же как и обычного фоторезистора, определяется произведением трех факторов: скорости оптической генерации, которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту поглощения , времени жизни в делокализованном состоянии τ_q и эффективной подвижности в нем _эф, которая, очевидно, должна быть пропорциональна квантово-механическому коэффициенту прохождения электрона над квантовой ямой. Первый и третий факторы максимальны для резонансных квантовых ям, а τ_q, напротив, минимально для них. Однако совокупное действие всех факторов оказывается таковым, что фотоприемники на квантовых ямах будут иметь лучшие параметры в случае резонансных ям.




Рисунок 10.117 Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму с испусканием оптического фонона.

Для самой распространенной гетеросистемы GaAs-Al_xGa_1–x с x = 0,2–0,25 условие резонанса выполняется для ям с толщиной a, кратной 40–45 А. Если а = 40–45 А, то диапазон фоточувствительности структуры лежит в области длин волн порядка 8 мкм, соответствующей одному из окон атмосферной прозрачности и потому очень важной для практических применений. Приемники на основе квантовых ям могут составить конкуренцию фоточувствительным структурам на основе твердых растворов CdHgTe — важнейшему типу приемников для данного спектрального диапазона. Основным достоинством структур на квантовых ямах является большая стабильность и меньший разброс параметров, что особенно важно для матричных фоточувствительных структур.

Путем сравнительно небольших изменений состава широкозонных слоев и толщины ямы можно менять положение максимума и ширину полосы фоточувствительности. Последнее обстоятельство связано с тем, что по мере нарушения точного условия резонанса спектр фотоионизации квантовой ямы становится более плавным и имеет менее резкий максимум.

Поскольку оптическая ионизация квантовых ям может вызываться лишь светом, поляризованным по нормали к квантовым слоям, описанные фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет требуемым образом. Есть два основных способа сделать это. Свет может направляться в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки. В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке, специально нанесенной на верхнюю поверхность структуры.

Возможно альтернативное решение проблемы поляризации, позволяющее избежать описанных выше конструкционных усложнений. Речь идет о выращивании квантовых структур из полупроводников с анизотропным энергетическим спектром. При наличии анизотропии электрическое поле нормально падающей световой волны, лежащее в плоскости слоев, придает электронам импульс под некоторым углом к этой плоскости. С позиций квантовой механики это означает возможность переходов между различными квантово-размерными уровнями или между уровнем и континуумом состояний над квантовой ямой, что и требуется для работы приемника. На практике для реализации этой идеи чаще всего используют гетероструктуры на основе той же, наиболее освоенной технологически, системы GaAs-Al_xGa_1–xAs, но имеющие не n-, а p-тип легирования. При этом сложный характер энергетического спектра валентной зоны обеспечивает фоточувствительность при нормальном падении света.