7 Применение сверхрешеток в электронике

Большую группу применения составляют оптоэлектронные приборы - фотоприемники, светоизлучающие приборы (инжекционные лазеры и светодиоды), пассивные оптические элементы, волноводы, модуляторы, направленные ответвители и др.

Инжекционные лазеры на гетеропереходах имеют преимущества перед обычными полупроводниковыми лазерами, поскольку инжектированные носители в лазерах на гетеропереходах сосредоточиваются в узкой области. Поэтому состояние инверсной населенности носителей заряда достигается при значительно меньших плотностях тока, чем в лазере на p-n-переходе. Применение вместо одиночных гетеропереходов многослойных сверхрешеточных структур позволяет изготовить лазеры, работающие на нескольких длинах волн.

В качестве примера на рисунке 8 показано схематическое изображение структуры многоволнового лазера. В структуре имеется четыре активных слоя Al_xGa_1-xAs разного состава (x = x₁, x₂, x₃, x₄), благодаря которым лазер одновременно работает на четырех длинах волн ₁, ₂, ₃ и ₄. Активные слои отделены друг от друга промежуточными слоями Al_yGa_1-yAs (y > x₁, x₂, x₃, x₄). Для создания p-n-переходов в структуре проводилась локальная диффузия Zn.

Рисунок 8 - Схематическое изображение многоволнового лазера

Большую группу приборов на полупроводниковых сверхрешетках составляют устройства с отрицательным дифференциальным электросопротивлением. На основе полупроводниковых сверхрешеток изготавливают также различные транзисторы. Достаточно большая частота квантовых осцилляций электронов в сверхрешетках значительно расширяет возможности изготовленных на их основе приборов СВЧ.

Рассмотрим некоторые применения сверхрешеток в оптоэлектронике, в частности, ИК - фотоприемники и лазеры.

Инфракрасные фотоприемники. Фотоприемники предназначены для регистрации и измерения оптических сигналов и для получения изображений во всех областях спектра, в том числе ИК- и УФ - диапазонах. Наибольшие средства вкладываются в разработки ИК - фотоприемников, используемых в аппаратуре и системах наблюдения, ночного видения, самонаведения, тепловидения и др., а также в волоконно-оптических линиях связи. Для ИК - фотоприемников используются как легированные сверхрешетки, так и многослойные гетероструктуры.

Перспективность гетероструктур GaAs-AlGaAs связана с разработанностью методов формирования тонких слоев, возможностью обеспечить высокий уровень интеграции фотоприемных элементов и элементов обработки фотосигнала.

Сверхрешетки в лазерных структурах. Кроме ИК-фотоприемников, сверхрешетки используются в лазерных структурах - в качестве активных областей и пассивных элементов (волноводы). Принцип работы инжекционных лазеров на сверхрешетках такой же, как для ДГС-лазеров на квантовых ямах. Ступенчатый вид графика плотности состояний и узкие области локализации носителей, участвующих в генерации, обеспечивают низкий пороговый ток и высокий КПД лазеров на сверхрешетках и на квантовых ямах. Если в гетеролазерах на сверхрешетках наращивать слои с различной концентрацией компонентов, можно получить генерацию излучения одновременно на нескольких длинах волн λ. Разработан лазер на четырех активных слоях с четырьмя различными λ.

Сверхрешетки и квантовые ямы имеют более крутой спад края оптического поглощения, чем исходные полупроводники и классические ДГС-структуры. Это уменьшает поглощение генерируемого излучения как в активной, так и в волноводной областях. В лазерах на квантовых ямах сверхрешетки используются в качестве волноводов. Они обеспечивают профиль показателя преломления, позволяющий получать оптимальный волноводный эффект. С каждой из двух сторон активной области располагаются сверхрешетки, содержащие ~ 200 периодов. Всего в лазере может быть до 1000 слоев.

Особый интерес представляют лазеры на сверхрешетках и на системах квантовых ям, излучающие в среднем ИК-диапазоне (λ = 2 - 12 мкм). В диапазоне 2-5 мкм лежат полосы поглощения многих вредных промышленных газов, и с помощью ИК-лазеров этого диапазона можно осуществлять контроль выбросов в атмосферу. В спектре поглощения самой атмосферы имеются "окна прозрачности". Для тепловидения наиболее важны окна 3-5 мкм и 8-12 мкм. Излучение тел с температурой 300 К лежит в диапазоне 8-12 мкм. Длины волн излучения современных ИК-лазеров попадают в окна прозрачности. Эти лазеры могут найти широкое применение в телекоммуникации и локации.

Создание ИК-лазеров с излучением в нужном диапазоне волн во многом стало возможным благодаря методам зонной инженерии, лежащей в основе получения материалов и наноструктур с заданными значениями ширины (ΔE_g) и эффективной ширины (ΔE_gэф) запрещенной зоны, расстояний между мини-зонами или размерными подзонами. Как уже говорилось выше, эти величины можно регулировать подбором состава полупроводниковых соединений, концентрации компонентов состава, ширины и высоты потенциальных ям и барьеров в наногетероструктурах. Длины волн оптического излучения определяются перечисленными величинами.

Заключение

На основе предложенных в 1970 году Ж.И.Алфёровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

В России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.

Прошло более 30 лет с тех пор, как началось изучение квантовых эффектов в полупроводниковых структурах. Были сделаны замечательные открытия в области физики низкоразмерного электронного газа, достигнуты поразительные успехи в технологии, построены новые электронные и оптоэлектронные приборы. И сегодня в физических лабораториях активно продолжаются работы, направленные на создание и исследование новых квантовых структур и приборов, которые станут элементами больших интегральных схем, способных с высокой скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации. Возможно, что уже через несколько лет наступит эра квантовой полупроводниковой электроники.

Список использованной литературы

1. Херман М.А., «Полупроводниковые сверхрешетки», г. Москва, 2013г.

2. Силин А.П., «Полупроводниковые сверхрешетки. Успехи физических наук», г. Москва, 2011г.

3. Кульбачинский В.А., «Двумерные, одномерные, нульмерные структуры и сверхрешетки», г. Москва, 2014г.

4. Шик А.Я., Бакуев Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А., «Физика низкоразмерных систем», Санкт-Петербург, 2014г.