4.4. Практическое применение наноразмерных гетероструктур.
В настоящее время гетероструктуры уже достаточно широко применяются в элементах схемной электроники, но наиболее они оказались востребованы в фотоэлектронике и лазерной технике. Не имея возможности осветить здесь все используемые технические устройства на гетеропереходах, что является предметом специальных курсов, учебников и монографий, в данном учебном курсе, ориентированном на изучение физических принципов и особенностей соответствующих полупроводниковых структур, в качестве характерного примера разберем действие лазера на квантовой яме.
Как известно, для работы лазера необходимо создать инверсную заселенность энергетических уровней. Другими словами, на более высоком уровне должно находиться больше электронов, чем на низком (в то время как в состоянии теплового равновесия ситуация обратная). Далее, каждому лазеру необходим оптический резонатор, или система зеркал, которая частично задерживает электромагнитное излучение в рабочем объеме (заставляя излучение многократно проходить вдоль объема между зеркалами), чтобы снять максимальную энергию с возбужденных состояний (т.н. режим вынужденного излучения).
Чтобы квантовую яму превратить в лазер, нужно ее подсоединить к двум контактам, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область. Пусть через один контакт (например, левый) электроны поступают в зону проводимости широкозонного полупроводника. Они легко «проваливаются» в зону проводимости узкозонного полупроводника. Далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, они будут излучать кванты энергии – фотоны, как показано на рис. 4-9. затем через валентную зону носители тока должны уходить на другой контакт (в данном случае, правый).
Электромагнитное излучение, генерируемое лазером, нужно сконцентрировать в центральной, рабочей области прибора. Для этого показатель преломления внутренних слоев должен быть больше, чем внешних. Можно сказать, что внутренняя область играет роль волновода. На торцевых границах этого волновода нанесены вышеуказанные зеркала, которые образуют резонатор. Таким образом, лазерное излучение выходит перпендикулярно к плоскости рис. 4-9.
Рис. 4-9. Энергетическая схема лазера на квантовой яме.
Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. В частности, эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Поскольку частота излучения в основном определяется шириной запрещенной зоны InGaAs, то, меняя глубину ямы через изменение соотношения In и Ga, можно менять частоту излучения. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную заселенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах достаточно экономичны, дают больше света на единицу потребляемой энергии – до 60% электрической мощности преобразуется в свет.
Полупроводниковые квантовые точки также перспективны для создания полупроводниковых лазеров. Электрон в квантовой точке переходит с уровня в зоне проводимости на уровень в валентной зоне с испусканием соответствующего кванта. Если в структуре с множеством одинаковых квантовых точек инициировать согласованные переходы электронов, то возникает лазерное излучение, генерация которого является следствием пропускания тока через структуру. Такая генерация уже получена.
Отметим также, что квантовые нити являются базой для создания элементов новой электроники, работающей на специфических образованиях – связанных кулоновскими силами парах электрон-дырка. Такие связки называются экситонами, а соответствующий раздел электроники – экситоникой. Уже появились оптические модуляторы, фазовращатели, переключатели и битастабильные элементы, оптические транзисторы и лазеры, построенные на свойствах экситонного газа.
Завершая краткое рассмотрение физических принципов создания гетеропереходов и возможностей применения устройств на базе наноразмерных гетероструктур, необходимо еще раз отметить ожидаемый чрезвычайно бурный рост подобной техники в XXI веке.