Квантовые ямы в полупроводниковых гетероструктурах

Гетероструктура – структура из двух различных полупроводников (с разной шириной запрещенной зоны Eg).

Запрещенная зона – энергетический зазор между заполненными и незаполненными разрешенными энергетическими зонами в твердом теле.

Схематичное изображение двойной гетероструктуры:

AlGaAs GaAs AlGaAs

d – ширина

ямы

Квантовая яма образуется в слое полупроводника с узкой запрещенной зоной, заключенном между двумя полупроводниками, обладающими более широкой запрещенной зоной:

Eg1> Eg2. Обычно d =2-10 нм.

Меняя d, можно изменять электронные и оптические свойства гетероструктур.

Энергия электрона

AlGaAs	GaAs	AlGaAs

EС

Eg1 Eg2

EV

Энергетическая диаграмма

Использование двойной полупроводниковой гетероструктуры с узким

(единицы нм) слоем полупроводника позволяет создавать квантовые ямы и

19

светоизлучающие оптоэлектронные устройства (светодиоды и лазеры).

Полупроводниковые лазеры

В полупроводниковом лазере (лазерном диоде) используется явление вынужденных оптических переходов, что дает усиление сигнала электролюминесценции при отражении от стенок резонатора, образованного специально подготовленными боковыми гранями.

С целью уменьшения пороговой плотности тока Jth были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом: n-GaAs-p-GaAs-AlxGa1-xAs; и c двумя гетеропереходами: AlxGa1-xAs-GaAs-AlxGa1-xAs.

Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах

Полосковые лазеры

Вертикальные лазеры:

20

КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫЗЕРЫ

Новый тип лазеров, где генерация обусловлена переходами электроновэлектронов между уровнями размерного квантования.

•Длина волны излучения от 3.4 до 17 мкм

•Пиковая мощность (1 Вт) при комнатной температуре в импульсном режимеиме ии высокаявысокая

мощность (0,2 Вт) при 77 К в непрерывном режиме

•Одномодовый спектр

	•Широкая перестройка частоты для высокоразрешающей спектроскопии ((вв частностичастности,, длядля
	спектроскопии газов)
	•Высокая частота модуляции (> 10 ГГц)
		•Анализ окружающей среды
	•Компактность ( 1 мм )
		•Контроль промышленных процессовпроцессов
		•Транспорт - контроль сгоранияания топливатоплива,,
		противостолкновительные локаторылокаторы
		•Медицина - анализ дыханияя,, ранняяранняя
		диагностика
		•Беспроводная оптическая связьсвязь
		•Военные применения

F. Capasso et al., 1994	21
Р. Казаринов, Р. Сурис, 1971

Фотоприемники на полупроводниковыхиковых наноструктурах с квантовыми ямами ии точкамиточками

Спектральнаячувствительностьзадаетсясоставомоставомии толщинойквантовыхямилиразмеромквантовыховыхточекточек

•Возможностьперекрытьвесьсреднийидальний(вплотьотьдодоТГцТГц)) ИКИК диапазон

•Высокаячувствительность

• Возможностьизготовлениямногоэлементныхимногозональныхзональных	22
приемников

Самоорганизованные квантовые точки

Изображение в атомно-силовом микроскопе

саморганизованных квантовых точек InP

на поверхности GaAs. Механизм роста

Странского-Крастанова.

Схема инжекционного лазера

на квантовых точках.

Гетероструктуры с самоорганизованными квантовыми точками являются
следующим за планарными гетероструктурами этапом наноинженерии	23
электронных и оптических свойств полупроводников.

Структуры с двумерным электронным газом (квантовые ямы)

Энергетический спектр в направлении z можно описать формулой:

Полная энергия носителей в квантово-размерной пленке носит смешанный дискретно-непрерывный спектр, представляя собой сумму дискретных уровней, связанных с движением в направлении квантования, и непрерывной компоненты, описывающей движение в плоскости слоя:

Элементарная низкоразмерная структура, ее энергетическая диаграмма и плотность состояний N(E) в сравнении с трехмерной структурой 24

Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити)

Квантовые структуры, где движение носителей ограничено не в одном, а в двух направлениях (y и z). В этом случае носители могут свободно двигаться лишь в одном направлении, вдоль нити (ось х). В поперечном сечении (плоскость yz) энергия квантуется и принимает дискретные значения Еnm (как любое двумерное движение, оно описывается двумя квантовыми числами, n и m). Полная энергия носителей в квантово-размерной нити, аналогично тонким пленкам, носит смешанный дискретно-непрерывный спектр, но лишь с одной непрерывной степенью свободы:

Элементарная низкоразмерная структура, ее энергетическая диаграмма и 25 плотность состояний N(E)

Структуры с нульмерным электронным газом (квантовые точки)

В такой структуре движение носителей ограничено во всех трех направлениях (x, y и z). Такие структуры особенно интересны тем, что их свойства аналогичны свойствам дискретного атома, поэтому их иногда называют искусственными атомами. Здесь энергетический спектр уже не содержит непрерывной компоненты, т. е. не состоит из подзон, а является чисто дискретным. Как и в атоме, он описывается тремя дискретными квантовыми числами (не считая спина) и может быть записан в виде:

причем, как и в атоме, энергетические уровни могут быть вырождены и зависеть лишь от одного или двух чисел.

Элементарная низкоразмерная структура, ее энергетическая диаграмма и плотность

состояний N(E)

26