IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В настоящее время наибольший интерес исследователей вызывают гетероструктуры с квантовыми ямами и квантовыми точками на основе арсенида галлия (GaAs) и его твёрдых растворов (AlGaAs и InGaAs). Данные материалы широко применяются для создания устройств оптоэлектроники, лазеров для волоконно-оптических линий связи и.т.д. Например, лазер на квантово-размерных структурах имеет преимущества над другими типами лазеров, связанные с повышением дискретности энергетического спектра и пространственной локализацией электронов и дырок в квантово-размерной структуре, что должно привести к снижению плотности порогового тока, при котором начинается генерация излучения, повышению его температурной стабильности, увеличению усиления и мощности [1].

Целью представленной работы является теоретическое исследование многослойных гетероструктур, содержащих композитные слои с квантовыми точками. Знание зависимости радиуса квантовых точек позволит давать рекомендации для практического изготовления полупроводниковых гетероструктур, излучающих свет в требуемом диапазоне.

Рассмотрим спектральные характеристики гетероструктуры, содержащей слои с квантовыми точками. Интенсивность излучения рассчитывается по формуле [2, 3, 4]:

, (1)

где Е_ф - энергия Ферми;

Е_g – ширина запрещенной зоны.

Ширина запрещённой зоны при различных значениях радиуса сферы R:

(2)

где – объёмное значение ширины запрещенной зоны;

h – постоянная Планка;

R – радиус квантовой точки;

и – эффективные массы электронов и дырок;

e – элементарный заряд электрона;

– диэлектрическая проницаемость вакуума;

– относительная диэлектрическая проницаемость.

Параметры для данных включений следующие: эффективная масса электронов , эффективная масса дырок , относительная диэлектрическая проницаемость CdS , значение абсолютной температуры T=300 К.

Рис. 1 График зависимости интенсивности излучения от длины волны при различных значениях радиуса R с использованием квантовых точек на основе CdS. Сплошная кривая: м, точечная кривая: м, штрих-кривая: м

Из рисунка видно, что с увеличением радиуса сферической квантовой точки, максимум интенсивности сдвигается в сторону более длинных волн.

Рис. 2 График зависимости интенсивности излучения от длины волны при различных значениях радиуса R с использованием квантовых точек на основе InAs. Сплошная кривая: м, точечная кривая: м, штрих-кривая: м.

На рис. 2 изображен график зависимости интенсивности излучения от длины волны c использованием сферических квантовых точек разного радиуса R на основе InAs. Использовались следующие параметры: относительная диэлектрическая проницаемость InAs , значение абсолютной температуры T=300 К. Из рисунка видно, что с уменьшением радиуса сферической точки, максимум интенсивности сдвигается в область более длинных волн.

Рис. 3 График зависимости интенсивности излучения от длины волны при различных значениях радиуса R с использованием квантовых точек на основе InGaAs. Сплошная кривая: м, точечная кривая: м, штрих-кривая: м

На рис. 3 изображен график зависимости интенсивности излучения гетероструктуры от длины волны при различных значениях радиуса R с использованием квантовых точек на основе InGaAs. Использовались следующие параметры: относительная диэлектрическая проницаемость InAs , значение абсолютной температуры T=300 К. Из рисунка видно, что при малых радиусах наночастиц (порядка 10 нм) при увеличении радиуса сферических точек, максимум интенсивности незначительно смещается в сторону коротких волн. При больших размерах квантовых точек (порядка нескольких сотен нм) наблюдается сдвиг в сторону более длинных волн.

Рис. 4 График зависимости интенсивности излучения от радиуса сферических квантовых точек R. Сплошная кривая: м, точечная кривая: м, штрих-кривая: м.

На рис. 4 изображен график зависимости интенсивности излучения от радиуса R сферических квантовых точек на основе CdS при различных значениях длин волн. Параметры для данных включений следующие: эффективная масса электронов , эффективная масса дырок , относительная диэлектрическая проницаемость CdS , значение абсолютной температуры T=300 К. Из рисунка видно, что для излучения с длиной волны м максимум интенсивности излучения наблюдается при использованием квантовых точек радиусом м , для излучения с длиной волны м максимум наблюдается при использовании квантовых точек радиусом м, для излучения с длиной волны м максимум при м. То есть, с увеличением радиуса квантовых точек максимум излучения смещается в сторону более длинных волн.

Выводы:

Рассмотрены гетероструктуры, которые содержат композитные слои полупроводников с квантовыми точками. Рассмотрен расчет изменения ширины запрещенной зоны, которые содержат квантовые точки радиуса R. На изменение ширины запрещенной зоны влияют квантовые эффекты. Теоретически исследованы спектральные характеристики гетероструктур, содержащие слои с квантовыми точками. Проведены расчеты для полупроводниковых гетероструктур, содержащих квантовые точки на основе CdS, InAs и InGaAs. Показано, что для излучения разных длин волн необходимо использовать квантовые точки различного радиуса R, например, порядка 9 нм, 10 нм, 1000 нм. Теоретически рассчитана зависимость интенсивности излучения от радиуса квантовых точек в полупроводниковом слое. Показано, что при увеличении радиуса максимум интенсивности излучения смещается в сторону длинных волн.

Литература

1. Карпович, И.А. Квантово-размерные гетеронаноструктуры на основе GaAs [Текст] / И.А. Карпович // Труды 1-ого совещания по проекту НАТО Sfp - 973799 Semiconductors. – Нижний Новгород.– 2001.– C. 48–62.

2. Золина, К.Г., Кудряшов, В.Е., Туркин, А.Н., Юнович, А.Э. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами [Текст] / К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович // Физика и техника полупроводников. –1997.– №9. – Т. 31. – С. 1055-1061.

3. Варданян, Б.Р., Юнович, А.Э. Фотолюминесценция легированных множественных квантовых ям GaAs/AlGaAs при высоком уровне возбуждения [Текст] / Б.Р. Варданян, А.Э. Юнович // Физика и техника полупроводников. –1995.– № 29. – C. 1976-1987.

4. Cingolani R., Stolz W., Ploog K. Electronic states and optical transitions in modulation-doped n-type GaInAs/AlInAs multiple quantum wells [Текст] / R.Cingolani, W.Stolz, K.Ploog // Phys.Rev. – 1989. – № 40. – P. 2950-2955.

Код для цитирования: Скопировать