X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые гетероструктуры и, особенно, двойные гетероструктуры, включая квантовые ямы, нити и точки, являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников.

Для того, чтобы разобраться что же такое квантовые точки и ямы в полупроводниковых лазерах, а также понять, какую пользу они могут оказать в данных системах, нужно опираться на основу работы полупроводниковых лазеров.

Типы гетеропереходов

Итак, что же такое полупроводниковый лазер и каков принцип его работы? Полупроводниковый лазер является квантовым генератором на основе полупроводниковой активной среды, базисом которой является гетероструктура, в которой оптическое усиление создается вынужденным излучением при квантовом переходе между энергетическим уровнями при большой концентрации носителей в свободной зоне. В обычном состоянии большинство электронов расположено на уровне валентности (см. рис 1).

При подводе фотонами энергии, превышающей энергию зоны разрыва, электроны полупроводника приходят в состояние возбуждения и, преодолев запрещенную зону, переходят в свободную зону, концентрируясь у её нижнего края. Одновременно дырки (электроны с отрицательной массой), образовавшиеся на валентном уровне, поднимаются к её верхней границе.

Рис.1. Энергетические уровни.

Электроны в свободной зоне рекомбинируют с дырками, излучая энергию, равную энергии зоны разрыва, в виде фотонов. Рекомбинация может быть усилена фотонами с достаточным уровнем энергии Ферми [1].

Рис.2. Гетероструктура

Как уже было сказано, полупроводниковый лазер представляет из себя гетероструктуру (см. рис. 2), основным элементом которой является гетеропереход-искусственная структура, изготовленная из двух или более различных полупроводниковых веществ, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала. Если гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости, то говорят об изотипном гетеропереходе. Анизотипные гетеропереходы образуются полупроводниками с разным типом проводимости [2].

Существует три модели гетероперехода:

I -идеальный гетеропереход или стандартный (см. рис. 3). Возникает, когда разрыв зоны проводимости ∆E_c и разрыв валентной зоны ∆ E_vположительны, например, в гетеропереходе GaAs-AlGaAs;

Рис.3. I тип-идеальный или стандартный гетеропереход [3]

Рис. 4. Зонная диаграмма гетероструктуры I типа

Зонная диаграмма кванторазмерной структуры I типа представлена на рисунке 4.

Рис.5. II тип-ступенчатый гетеропереход [3]

II тип -неидеальный гетеропереход или ступенчатый (см. рис. 5). Возникает, когда один из разрывов зон положителен, а другой отрицателен, например, в гетеропереходе InP-In_0,52Al_0,48. Зонная диаграмма такой структуры представлена на рис. 6.

Рис. 6. Зонная диаграмма квантоворазмерной структуры II типа

III тип - гетеропереход с промежуточным слоем или разрывным. Такой вариант возможен, когда запрещенные зоны вообще не перекрываются по энергии. Классический пример-гетеропереход InAs-GaSb (см. рис. 7).

Рис.7. III тип - гетеропереход с промежуточным слоем [3]

Зонная диаграмма квантоворазмерной структуры III типа изображена на рисунке 8.

Рис.8. Зонная диаграмма структуры III типа

Мы уже знаем, что для того, чтобы в кристаллической решетке двух материалов, составляющих гетеропереход, не было дефектов необходимо как минимум, чтобы два материала имели одну и туже кристаллическую структуру и близкие периоды решеток. В этом случае структура получается без напряжений. Ясно, что не все материалы могут быть использованы для создания гетероперехода. Однако, на настоящее время известно достаточно большое количество гетеропар, используемых для создания излучающих лазерных диодов в различных диапазонах длин волн, определяемых в первую очередь шириной запрещенной зоны.

Рис. 9. Зависимость энергии запрещенной зоны от постоянной решетки

На рисунке 9 изображен график зависимости энергии запрещенной зоны при низкой температуре от постоянной решетки для ряда полупроводников. Затененный области объединяют группы полупроводников с близкими постоянными решеток. Сплошные линии образуют между полупроводниками стабильные твердые растворы. Штриховые линии указывают на непрямые запрещенные зоны [2].

Исследование квантовых ям и квантовых точек

Полупроводниковые нанокристаллы, то есть кристаллы с очень маленькими, порядка 10-20 нм, размерами, получили в русскоязычной литературе название квантовых точек, они же - искусственно созданные области вещества, в которых можно «хранить» небольшие количества электронов (см. рис. 10). Так их назвали потому, что при столь малых размерах в них проявляются квантовые, то есть дискретные, свойства электронов.

Рис.10. Квантовые точки [4]

Последовательный рост двух гетеропереходов приводит к образованию так называемой квантовой ямы, в которой движение электронов ограничено в одном направлении. В такой квантовой яме в зависимости от ее размеров возникает один или несколько уровней энергии. При легировании полупроводника эти уровни будут заполнены двумерными электронами, то есть электронами, которые могут двигаться только в плоскости. Ограничив движение двумерных электронов по оставшимся двум направлениям, можно получить квантовую точку.

Структуры с квантовыми точками перспективны для создания полупроводниковых лазеров. Электрон в квантовой точке переходит с одного уровня в зоне проводимости на другой в валентной зоне с испусканием фотона с энергией hν, равной разности энергий уровней размерного квантования. Если в структуре с множеством одинаковых квантовых точек инициировать согласованные переходы электронов, то возникает лазерное излучение. Электроны на уровни обычно попадают при пропускании тока через структуру. Поскольку понижение размерности кристалла уменьшает ширину зон размерного квантования, в квантовой точке существуют только дискретные уровни энергии, как в атоме, это ведет к более узким оптическим спектрам. В качестве примера на рис. 11 приведен спектр излучения от одной квантовой точки GaAs с переходами между четырьмя различными уровнями. Кроме необычайно узкого спектра излучения на рисунке видна поляризация света в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (интенсивности света для двух поляризаций показаны разным цветом) [4].

Рис.11. Спектр излучения квантовой точки [4]

В структурах полупроводниковых квантовых точек происходит понижение плотности порогового тока лазерной генерации, возможны большие скорости модуляции излучения. Так, например, в статье, посланной в печать в мае 1970 г., был реализован лазер с полосковой геометрией (см. рис. 12), плотность порогового тока J_th при 300 K была всего 2.7 кА/см² [5].

Рис. 12. Схематичное изображение структуры первого инжекционного полоскового двойной гетероструктуры (ГДС) лазера, работающего при комнатной температуре [5].

Рис. 13. ПЭМ-изображение (вид с торца) квантовой ямы InGaNAs, содержащий монослой InAs. Справа-зонная диаграмма [6]

Использование структур, содержащих квантовую яму InGaNAs (см. рис. 13) в сочетании с барьерами InGaNAs/GaNAs и монослойным внедрением InAs, позволяет при сохранении двумерного режима роста достичь длины волны излучения 1.59 мкм при комнатной температуре.

Увеличение содержания индия, например, в структурах InAs/InGaNAs/GaNAs приводит к формированию массива квантовых точек и значительному длинноволновому сдвигу пика фотолюминесценции (ФЛ) (1.76 мкм). Содержание индия в структуре А= x=36%, в структуре С=x=43% (см. рис. 14). Подобные гетероструктуры с длиной волн максимума ФЛ, превышающей 1.45 мкм, имеют более высокую интенсивность ФЛ по сравнению с квантовыми ямами InGaNAs/GaAs. Таким образом, примененная конструкция активной области является весьма многообещающей для применения в длинноволновых лазерах на GaAs [6].

Рис.14. Сдвиг фотолюминесценции. [6]

Заключение

Как показано в работе, применение квантовых ям и точек позволяет достичь:

более короткие длины волн излучения

меньшие значения порогового тока

большее дифференциальное усиление и более слабая температурная зависимость порогового тока в полупроводниковых лазерах

более узкие оптические спектры

Структуры с квантовыми проволоками и точками пока еще очень молоды, но уже сейчас мы можем сказать, что упорядоченные равновесные массивы квантовых точек могут использоваться во многих устройствах: лазерах, оптических модуляторах, детекторах и т.д., а также их использование приведет к созданию новых классов электронных приборов, более быстродействующих, с меньшим потреблением энергии и миниатюризации всех электронных устройств.

Литература

1. Журнал FB.ru/ Образование/Наука/Лазеры полупроводниковые: виды, устройство, принцип работы, применение/ [Электронный ресурс]. URL: http://fb.ru/ .

2. Полупроводниковые гетероструктуры: гетеропереход. Учебно- методическое пособие. /Сост. П.А. Шиляев, Д.А. Павлов. – Н.Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2009. – 18 с.

3. Физика полупроводников / Гетеропереход /Типы гетеропереходов / [Электронный ресурс]. URL: http://www.club155.ru/ .

4. В.А. Кульбачинский. Полупроводниковые квантовые точки/Соросовский образовательный журнал, том 7, №4, 2001.

5. Алферов, Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур [Текст] / Ж.И. Алферов // Физика и техника полупроводников. – 1998. – №1. – Т. 31. – С. 3-18.

6. В.С. Михрин, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.Г. Мусихин, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, В.М. Устинов/Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3

7. Ю.П., Кардона М. Основы физики полупроводников / Пер. с англ. И.И. Решиной. Под ред. Б.П. Захарчени. — 3-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 560 с.

Код для цитирования: Скопировать