3. 3. 9. Приёмники излучения на основе квантово-размерных эффектов.
Традиционный подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов основан на использовании процессов легирования их примесями, создающими определённые электронные уровни в запрещённой зоне. Однако в ряде случаев традиционный подход наталкивается на принципиальные ограничения, обусловленные отсутствием в природе примесей с подходящими свойствами, низким пределом растворимости атомов многих примесей в кристаллической решётке полупроводника, высокой концентрацией электрически активных собственных дефектов решётки и т. д. В связи с этим, в последние годы активно развивается новый подход к управлению свойствами полупроводников, основанный на формировании в полупроводниковой матрице наноразмерных кластеров, в состав которых могут входить атомы вводимых примесей, атомы собственных компонентов.
В 80-х годах прошлого столетия зародилась новая наука – наноэлектроника. Можно выделить три основных типа наноструктур: квантовые ямы, где носители ограничены в направлении, перпендикулярном к слоям, и могут двигаться свободно в плоскости слоя (двумерные системы); квантовые нити или проволоки, где носители заряда ограничены в двух направлениях и свободно перемещаются вдоль оси проволоки (одномерные образования); квантовые точки, в которых носители заряда ограничены уже во всех трёх направлениях и обладают полностью дискретным электронным спектром (нульмерные структуры). На рис. 28 представлены схематические диаграммы функции плотности состояний для этих типов структур.
Рис. 28. Схематические диаграммы функции плотности состояний для
структур с квантовыми ямами (а), квантовыми проволоками (б),
квантовыми точками (с).
В наноразмерных структурах «запирание» электрона приводит к увеличению его импульса. Соответственно увеличивается и кинетическая энергия электрона. Таким образом, квантовое ограничение приводит к увеличению минимальной энергии «запертого» электрона и дополнительному квантованию энергетических уровней, соответствующих его возбуждённому состоянию. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур существенно отличаются от свойств объёмных материалов, из которых они сделаны. Уникальным свойством квантовых частиц является их способность проникать через преграду даже в случае, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, влияет на туннелирование через потенциальные барьеры, и оно приобретает резонансный характер.
Высокая концентрация кластеров, наноразмерных структур, и наличие встроенных электрических полей способствует быстрому захвату и рекомбинации неравновесных носителей заряда. Например, характерные времена жизни носителей заряда, экспериментально измеренные в арсениде галлия, содержащем кластеры мышьяка, составляет 1пс. Большое удельное сопротивление в сочетании с рекордно малым временем жизни носителей заряда делают эти структуры привлекательными для различных применений в сверхбыстродействующей полупроводниковой электронике.
Электронный спектр идеальной квантовой точки представляет собой набор дискретных уровней, разделённых областями запрещённых состояний, и соответствует электронному спектру одиночного атома, хотя реальная квантовая точка при этом может состоять из сотен тысяч атомов. С приборной точки зрения это даёт возможность устранить основную проблему современной микро- и оптоэлектроники – «размывание» носителей заряда в энергетическом окне kТ, приводящее к деградации свойств приборов при повышении рабочей температуры.
Большое внимание в настоящее время уделяется созданию структур с квантовым точкам, поскольку в отличие от квантовых ям они обладают рядом только им присущих особенностей. К ним следует отнести, например, снятие запрета по квазиимпульсу на непрямые оптические переходы; дискретный спектр энергетических состояний в квантовых точках с энергетическими зазорами между уровнями Еg > kТ. Наличие дискретности энергетических уровней способствует созданию полупроводниковых приборов, обладающих температурно-независимыми оптическими свойствами.
В течение долгого времени во всём мире предпринимались попытки изготовления приборов на квантовых точках «традиционными способами»: путём селективного травления, роста на профилированных подложках, на сколах. Качественный прорыв в этой области связан с использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур на кристаллических поверхностях. Такие структуры могут возникать в замкнутых системах, например, при отжиге образцов или при длительном прерывании роста, а также в открытых системах в процессе роста кристалла.
В настоящее время во многих организациях мира разработаны технологии создания элементов оптоэлектроники - фотоприёмников и источников излучения - на основе квантово-размерных эффектов. Инфракрасные фотоприёмники с квантовыми ямами (QWIP) изготавливают из полупроводников А3В5 с широкой запрещённой зоной (1.43 эВ для GaAs). В QWIP-фотоприёмниках используются внутризонные электронные переходы в зоне проводимости или в валентной зоне. QWIP –приёмники излучения являются примесными высокоомными фоторезисторами. Выбор спектрального диапазона, например для GaAs/AlxGa1-xAs, достигается изменением концентрации Al или толщины легированных кремнием слоёв (ям) GaAs в процессе выращивания многослойной структуры (сверхрешётки). Квантовые ямы заполняют электроны с энергией Ферми выше основного состояния, при этом допускается поглощение ИК фотонов, энергия которых совпадает с разностью энергий между основным и возбуждённым состояниями. Используя различные значения ширины квантовых ям и состав барьеров, можно изменять длинноволновую границу спектральной чувствительности QWLP от 3 мкм до 20 мкм. Для фотоприёмников с квантовыми ямами характерна чувствительность в узкой полосе. В настоящее время созданы QWIP – матрицы большого формата (256х256 и 640х480) с малыми размерами пикселов (~5х5 нм) в основном на структурах GaAs/AlxGa1-xAs n – типа, выращенных на подложках GaAs. Короткое время жизни основных носителей и большой темновой ток ведут к низким температурам режима ограничения фоном (< 70 К) для матрицы с длинноволновой отсечкой 9 мкм.
Лазеры на квантовых точках имеют более высокие характеристики по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Преимущества лазера на квантовых точках обусловлены в основном d - образным спектром функции плотности состояний. Прежде всего, в них ожидается высокое дифференциальное усиление, сверхнизкое значение пороговой плотности тока и высокая температурная стабильность пороговой плотности тока. В настоящее время созданы лазеры на квантовых точках на основе InGaAs/GaAs, выращенных на подложках из GaAs. Достигнут значительный прогресс как в области получения массивов квантовых точек высокой плотности, упорядоченных по форме, размеру и относительному расположению и пригодных для использования в качестве активной области инжекционных гетеролазеров, так и в области исследования свойств лазеров на квантовых точках. Дальнейший прогресс в области гетероструктур с квантовыми точками связан с расширением их области применений в различных приборах микро- и оптоэлектроники, получением более однородных квантовых точек, что позволит качественно улучшить рабочие характеристики большинства современных приборов.