 |
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. Поэтому в качестве времени жизни неравновесных носителей выступает характерное время захвата в квантовую яму τq. По сравнению с обычным временем жизни, связанным с захватом на рекомбинационные центры, τq обладает двумя важными отличиями.
Во-первых, τq 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 hω0/2π. Однако энергия связи центров отнюдь не совпадает с hω0/2π, 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.6.2.). Если исходный электрон имел энергию, близкую к краю зоны в широкозонном материале, то из Рис. 6.2. видно, что испускаемый фонон должен иметь достаточно большой импульс:
|
|
|
q = [2m (ΔE - E1 - hω0/2π)]1/2
в плоскости квантовой ямы. Значительно большая величина взаимодействия электронов с оптическими фононами, нежели с акустическими, определяет малость τq по сравнению со временем захвата из центра.
Во-вторых, τq немонотонным, осциллирующим образом зависит от параметров ямы. Это связано со свойствами волновой функции электронов в делокализованных состояниях над квантовой ямой ψ£. Если яма не является резонансной, то амплитуда этой волновой функции в непосредственной окрестности ямы при малой энергии электрона весьма мала. Собственно, τq будет относительно велико. Для резонансных квантовых ям вероятность захвата возрастает, т. е. τq падает.
Фотопроводимость рассматриваемой структуры, так же как и обычного фоторезистора, определяется произведением трех факторов: скорости оптической генерации, которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту поглощения α, времени жизни в делокализованном состоянии τq и эффективной подвижности в нем μэф, которая должна быть пропорциональна квантово-механическому коэффициенту прохождения электрона над квантовой ямой. Первый и третий факторы максимальны для резонансных квантовых ям, а τq, напротив, минимально для них. Однако совокупное действие всех факторов оказывается таковым, что фотоприемники на квантовых ямах будут иметь лучшие параметры в случае резонансных ям.
Рис. 4 Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму с испусканием оптического фонона.
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[5].
|
|
|
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.
Рис. 5. Способы ввода излучения в фотоприемник с квантовыми ямами
В связи с тем, что 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 (Рис. 6.3. a). В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке, специально нанесенной на верхнюю поверхность структуры (Рис. 6.3. б).
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-AlxGa1-xAs, но имеющие не n-, а p-тип легирования. При этом сложный характер энергетического спектра валентной зоны обеспечивает фоточувствительность при нормальном падении света.
Заключение
Развитие наноэлектроники закладывает основы перехода к принципиально новым принципам базовых элементов электроники, включающим использование одноэлектронных эффектов, эффектов электронной интерференции [2], спиновых эффектов, бестоковых переключающих устройств и, в будущем, к разработке квантовых технологий создания вычислительных устройств и защищенных систем связи [3].
|
|
|
России принадлежит приоритет в области наногетероструктурной электроники, создании полупроводниковых лазеров, светоизлучающих диодов, высокоэффективных преобразователей солнечного излучения. Разработки прорывного характера по созданию систем нанолитографии с использованием ультрафиолетового излучения с длиной волны в нанометровом диапазоне ведутся в ряде научных организаций России. Следует также отметить, что, несмотря на слабое участие российских предприятий в мировом разделении труда в производстве микропроцессоров и схем памяти с общим мировым объемом продаж около 2 трлн. долл. США, имеется основа для развития других направлений полупроводниковой электроники, включающих разработку и применение электронных компонент для решения проблем энергоснабжения (силовая электроника и солнечная энергетика), задач силовых ведомств (опто- и СВЧ-электроника, микросистемная техника), проблем охраны окружающей среды и экологической безопасности (сенсорика).
Список литературы
1. Рощин, В.М. Технология материалов микро- опто- и наноэлектроники /М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010.-180с. ISBN 978-5-94774-913-7
2. Мартинес-Дуарт Дж. М., Мартин-Палма Р. Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники /М.: ТЕХНОСФЕРА, 2007.-368с. ISBN 978-5-94836-126-0
3. Рамбиди М.Г., Березкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий /М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-456с. ISBN 978-5-9221-0988-8
|
|
|
