Квантовые эффекты в полупроводниках

В начале 70-х гг. прошлого века в физике полупроводников появилось новое направление — изучение гетероструктур, образованных различными по своему составу и свойствам полупроводниками. В особенности интересными оказались гетероструктуры, в которых пространственная размерность отлича­ется от трехмерной, т.е. от обычного твердого тела. Это могут быть тонкие пленки нанометровой толщины, такой же толщины тонкие нити и нанометровые ансамбли атомов. Поскольку на нанометровых размерах проявляются квантовые эффекты, эти системы были названы квантовыми ямами, квантовы­ми нитями и квантовыми точками. Их замечательная особенность заключается в том, что наноразмеры полупроводниковых структур ограничивают движение электронов и поэтому плотность электронных состояний в нихпринципиально отличается от макроскопического тела. Нетрудно видеть (рис 11,3), что кван­товые эффекты проявляются, начиная с квантовых ям, т. е. когда движение электронов ограничено нанометровыми размерами, хотя бы в одном измерении.

 

Рис. 4.27. Плотность энергетических состояний для трехмерного твердого тела-1,

квантовой ямы-2, нити-3, точки-4.

 

Не останавливаясь на интереснейших свойствах и практических приложе­ниях квантовых ям и квантовых нитей, поговорим о квантовых точках, которые рассматриваются сегодня как одна из возможных альтернатив молекулярной элементной базе вычислительных устройств.

Квантовые точки называют иногда, чаще в популярных изданиях, искус­ственными атомами. Но квантовая точка – это совокупность атомов с на-норазмерами по всем трем пространственным измерениям. Движение элек­тронов в такой системе может быть аппроксимировано простейшей квантово механической моделью, известной под названием «частица в прямоугольном потенциальном поле». Эта модель описывается уравнением Шредингера

 

, (4.11)

 

где потенциальная энергия в ящике со сторонами a, b, c

 

. (4.12)

 

При этом

 

при всех других значениях x, y, z.

 

, где n1, n2, n3=1,2,3,... (4.13)

 

Таким образом, квантовой точке отвечает дискретный спектр, сходный по общему виду со спектром атомной системы.

 

Рис. 4.28. Экспериментальная полупроводниковая реализация квантовой точки

В квантовой точке могут находиться от одного до большого количества электронов, распределение которых определяется принципом Паули.

Квантовые точки могут быть созданы методом молекулярно-лучевой эпитаксии. На хорошо подготовленную поверхность напыляется другое вещество со структурой, близкой к структуре подложки. При этом все должно происхо­дить в высоком вакууме, чтобы избежать включения в формируемый объект посторонних примесей. Скорость напыления должна тщательно регулироваться для того, чтобы исключить образование дефектов структуры. Спонтанное фор­мирование квантовых точек в так называемом режиме Странского-Крастанова хорошо изучено на примере системы InAs/GaAs. При росте первого моно­молекулярного слоя InAs на поверхности GaAs из-за различия постоянных кристаллических решеток возникают упругие напряжения. Если напыление продолжается, они увеличиваются, и становится выгодным не равномерное распределение вещества по поверхности первого слоя, а образование отдель­ных «капель» на поверхности первого слоя (его называют «смачивающим» слоем). Таким образом, возникают «пирамидки» со свойствами квантовых точек (рис. 4.28).

Рис. 4.29. Зонная структура полупроводника, содержащего квантовую точку

 

Качественно эти пирамидки можно рассматривать как дефекты на поверх­ности основного полупроводника. В этом случае в зонной структуре появля­ются примесные уровни (рис. 4.29) – несколько выше валентной зоны (дырки) и несколько ниже зоны проводимости (электроны). Уровни, отвечающие при­месному уровню зоны проводимости, характеризуются дискретным спектром, т.е. они отвечают квантовой точке.

 

Фотонные нанокристаллы.

Наноматериалы приобретают новые свойства, связанные как кван­товым ограничением длины пробега носителей, так и организацией на­нокластеров в нанокристаллы. В качестве примера наноматериалов, при­обретающих новые свойства, приведем пористый кремний и фотонные нанокристаллы.

Пористый кремний представляет собой пример появления новых оптических свойств, связанных с квантовым ограничение.

Он представляет из себя материал, состоящий из изогнутых крем­ниевых нитей нанометрового диаметра. Для кристаллического кремния радиационные переходы между валентной зоной и зоной проводимости формально запрещены по условиям симметрии. Переходы, однако, про­исходят, но только с участием фононов, и поэтому скорость радиационных переходов мала. Это является причиной того, что кремний не используется для генерации оптических сигналов.

В пористом кремнии наблюдается интенсивная фотолюминесцен­ция, что вначале связывалось с возможным нарушением привила отбора в наносистеме, которая не удовлетворяет трансляционной симметрии. Квантовые ограничения действительно играют основную роль в появле­нии фотолюминесценции путем изменения соотношения интенсивности радиационных и не радиационных переходов. Интенсивность радиацион­ных переходов несколько возрастает, но, главным образом, уменьшается интенсивность нерадиационных переходов, в частности, резко убыва­ет вероятность трехчастичных Оже-процессов, связанных с испусканием электронов после поглощения светового излучения, по сравнению с кри­сталлическим кремнием.

Фотонные кристаллы образуются из нанокластеров с размерами, сравнимыми с длиной волны фотонов, например, для видимого диапазона света это сотни нанометров. Благодаря этому, для таких наноструктур наблюдаются дифракционные процессы и выполняются условия Брэгга, подобно рассеянию рентгеновских лучей на атомной кристаллической решетке. Это в свою очередь приводит к возникновению когерентных эффектов при рассеянии и поглощении света, весьма чувствительных к энергии фотонов и направлению их распространения.

Так, фотонные кристаллы имеют периодически меняющийся коэф­фициент отражения, что позволяет изменять оптические свойства матери­алов. Одномерные наноструктуры используются как интерференционные фильтры, однако большой интерес представляют трехмерные нанокри­сталлы. Для таких наносистем было получено существование щелей фо­тонных состояний в энергетических и дисперсионных спектрах подобно запрещенным зонам в энергетических и дисперсионных спектрах электро­нов в атомных кристаллах. Это предсказывает существование фотонной щели с частотами, при которых фотон не может распространяться внутрь кристалла и происходит его упругое отражение от нанокристаллического слоя. Такие возможности позволяют создавать наноматериалы с изменя­ющимися оптическими свойствами.

Создание фотонных кристаллов с фотонной щелью включает раз­нообразные приемы синтеза. Один из таких приемов состоит в исполь­зовании свойства сфер субмикронного (несколько сотен нанометров) размера произвольно организовываться в гранецентрированную решетку.

 

Рис. 4.30 Сечение нанокристалла, образованного после фильтрации кремния (серое поле) в стуктуру опала и выщелачивание сфер SiO_2. Неполная фильтрация приводит к появлению дополнительных треугольного (или алмазного типа) пор.

 

В результате получается наноматериал – синтетический опал, включаю­щий монодисперсные сферы окиси кремния. Однако такой нанокристалл не обладает устойчивой фотонной щелью, которая легко разрушается различного рода дефектами и несовершенством нанокристалла. Такой синтетический опал далее используется как матрица для получения по­лупроводникового материала путем его фильтрации в поры нанокрастал-лического опала. Удаление матрицы опала позволяет получать нанокристаллический обращенный опал, в котором кремний включает упорядоченную структуру пустот.

Было рассчитано, что если полупроводник обладает достаточно вы­соким коэффициентом отражения > 2,85, то такая структура будет иметь фотонную щель, что экспериментально было обнаружено для фотонного кристалла, сделанного из кремния.

В этой области большой интерес вызывает создание фотонных кри­сталлов, которые способны к интенсивному испусканию света, например на основе GaS, InS, GaP, или созданию упорядоченных полостей на осно­ве алмазной структуры, которая по расчетам может иметь еще большую фотонную щель и меньше зависеть от дефектов и разупорядоченности.

Наноэлектронные лазеры

4.13.1. Наноэлектронные л азеры с горизонтальными резонаторами

Как хорошо известно, для работы любого лазера необходимо обеспечить выполнение двух основных условий. Во-первых, нужно создать состояние инверсии заселенности энергетических уровней, т.е. необходимо обеспечить, чтобы на более высоком уровне находилось больше электронов, чем на низком. В состоянии теплового равновесия ситуация с распределением электронов по уровням прямо противоположная. Во-вторых, каждому лазеру необходим оптический резонатор, или система зеркал, которая запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме и обеспечивает механизм вынужденной рекомбинации электронов при их переходах из зоны проводимости в валентную зону. При вынужденной рекомбинации генерируется фотон, имеющий ту же частоту, направление распространения и фазу, что и фотон, индуцирующий рекомбинацию. При спонтанной рекомбинации, наоборот, генерируются фотоны, имеющие произвольные направления движения и фазы.

В настоящее время самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на квантовой яме в виде двойной гетероструктуры, для которой в соответствие с рис. 4.31. активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника, «зажатого» между двумя широкозонными.

При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма, и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. К широкозонным областям присоединяются металлические контакты, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область.

 

а) б)

Рис. 4.31. Лазер на квантовой яме:

а) двойная гетероструктура; б) энергетическая диаграмма

 

Работа лазера происходит следующим образом. Из одного контакта (широкозонного полупроводника) электроны поступают в рабочую зону, создавая тем самым в ней инверсную заселенность. Далее, переходя из зоны проводимости в валентную зону, они излучают кванты электромагнитного излучения, частота которого определяется условием

ћω = Е_g+ E_C1 + Е_C2. (4.14)

Для того чтобы сконцентрировать генерируемое излучение в центральной активной области прибора показатель преломления внутреннего слоя подбирают так, чтобы он был больше, чем для внешнего. Такое соотношение можно получить, например, в системе материалов GaAs/InGaAs. В этом случае внутренняя область становится подобной волоконно-оптическому волноводу, на границах которого нанесены зеркала, формирующие резонатор.

Лазеры на квантовых ямах обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Прежде всего, эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра за счет изменения толщины рабочей области. Так, при уменьшении размеров ямы минимальные энергии электронов E_C1 и Е_C2 увеличиваются, и тогда согласно (4.14), увеличивается и частота излучения, которое генерируется лазерами. Подбирая ширину квантовой ямы можно добиться того, что затухание волны в оптической линии связи станет минимальным.

Другое преимущество заключается в том, что в двумерном электронном газе квантовой ямы легче создать инверсию заселенности, что связано с иным распределением плотностей состояний у краев зон. Если в массивном полупроводнике в непосредственной близости от края зоны эта величина мала, то в квантово-размерной системе она не убывает вблизи края, оставаясь постоянной. Поэтому лазеры на квантовых ямах очень экономны, они питаются меньшим током и дают больше света на единицу потребляемой мощности. До 60% электрической мощности ими преобразуется в свет.

В квантовых точках энергетический спектр меняется еще более радикально, чем в квантовых ямах. Плотность состояний для них имеет крутой d-образный вид. Тем самым в квантовых точках отсутствуют состояния, которые не принимают участия в усилении оптического излучения, но содержат электроны. Это уменьшает потери энергии и, как следствие, уменьшает пороговый ток – важнейший параметр инжекционных лазеров, который равен минимальному току, пропускаемому через прибор обеспечивающему получение лазерного излучения (накачку). Для любых систем лазеров величину порогового тока желательно делать как можно меньшей. Предельная величина этого тока при комнатной температуре может быть снижена до 15 А/см², в то время как в лазерах на квантовых ямах эта величина имеет порядок около 30 А/см².

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: