6.6 Оптоэлектронные приборы на наноструктурах

Общие сведения

Наиболее успешно в оптоэлектронике квантовые наноструктуры используются для создания лазеров. Уже сегодня эффективные лазерные устройства типа лазера на двойной гетероструктуре дошли до рынка и успешно применяются в волоконно-оптических линиях связи.

Впервые двойные гетероструктуры предложены в 1963 г. Ж. И. Алфёровым. В 2000 г. «за развитие полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной электронике и оптоэлектронике», Ж. И. Алфёров и Г. Крёмер (США) были награждены Нобелевской премией по физике. Согласно общепризнанным прогнозам данное направление наноэлектроники имеет большое будущее.

Лазеры на квантовых ямах и точках

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 состояние 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, 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 рисунком 6.33 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.

Двойная гетероструктура Энергетическая диаграмма

Рисунок 6.33 – Лазер на квантовой яме

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

. (6.12)

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 достичь, 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_С2 увеличиваются и тогда согласно (6.12), увеличивается и частота излучения, которое генерируется лазерами. Подбирая ширину квантовой ямы можно добиться тог, 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 в соответствие с рисунком 6.16. 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. В соответствии с рисунком 6.16 плотность состояний для них имеет крутой -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 — важнейшую характеристику инжекционных лазеров, которая равна 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.

Оптические модуляторы

Структуры с квантовыми ямами могут использоваться не только для генерации, но и для модуляции светового излучения из области межзонного оптического поглощения. Физической основой эффекта модуляции являются два следующих экспериментальных факта:

– в структурах с квантовыми ямами существуют резкие линии экситонного поглощения, имеющие значительно большую интенсивность, чем в однородных полупроводниках, и наблюдаемые не только при низких, но и при комнатных температурах;

– спектральное положение линий заметно сдвигается при приложении сильного электрического поля перпендикулярно слоям гетероструктуры.

Эти два обстоятельства нуждаются в некоторых пояснениях. Первое обстоятельство связывается с понятием экситона – пары электрон-дырка, неразрывно связанных друг с другом за счет силы кулоновского взаимодействия. При этом электрон находится в зоне проводимости, а дырка – в валентной зоне. За счет совместного движения электрона и дырки экситон может перемещаться по объему полупроводника, не перенося при этом никакого заряда. Потенциальные ямы низкоразмерных квантовых структур, изменяют свойства не только свободных электронов, но и связанных электронах в экситонных состояниях.

Теоретические расчеты на основе уравнения Шредингера показывают, что основное отличие квазидвумерного экситона от экситона трехмерного заключается в увеличении энергии связи экситона в квантовой яме. Для основного состояния изменение составляет 4 раза, т.е. экситонные эффекты в квантово-размерных структурах оказываются значительно сильнее выражены, чем в обычном объемном образце. Поэтому экситонные пики в спектре поглощения таких структур могут наблюдаться вплоть до комнатных температур. Так, для квантовых ям с толщиной порядка 4,6 нм на системе материалов GaAs/AlGaAs такие пики наблюдаются даже при 500 К.

Относительно второго обстоятельства следует отметить, что в однородных полупроводниках электрическое поле разрушает экситоны, растаскивая электрон и дырку в разные стороны. Наличие же квантовой ямы позволяет без вреда для экситона приложить в поперечном направлении достаточно сильное поле, поскольку стенки ямы не дают электрону и дырке возможности разойтись. Поэтому экситонная линия поглощения в поле не исчезает, но ее положение достаточно сильно сдвигается.

Это обуславливается двумя факторами. Во-первых, поле искажает форму самой квантовой ямы, превращая ее из прямоугольной в трапециевидную в соответствие с рисунком 6.34. При этом меняются энергии квантовых уровней как в зоне проводимости , так и в валентной зоне , а вместе с ними, и эффективная ширина запрещенной зоны

. (6.13)

Во – вторых, энергия связи экситона Е_EX хотя и не обращается в нуль, как только что было отмечено, но тем не менее зависит от приложенного поля. В результате спектральное положение экситонной линии _EX

(6.14)

оказывается сильно зависящим от напряженности электрического поля Е.

Электрическое поле отсутствует

Электрическое поле присутствует

Рисунок 6.34 – Энергетический спектр квантовой ямы

Поскольку экситонная линия в спектре поглощения является весьма резкой, то коэффициент поглощения _П для света с частотой вблизи этой линии очень сильно меняется при изменении положения линии. Это делает весьма эффективной модуляцию света с помощью приложенного электрического поля. Ожидается, что подобные модуляторы найдут применение в системах оптической передачи информации.

Фотоприемники на квантовых ямах

Эффекты размерного квантования в квантовых ямах, могут использоваться для создания новых типов приемников инфракрасного излучения. Принцип приемника весьма прост: выброс носителей в зону проводимости широкозонного полупроводника (потенциального барьера) увеличивает проводимость в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры.

По своему действию такой приемник напоминает примесный фоторезистор, где в роли центров выступают квантовые ямы в соответствии с рисунком 6.35.

Рисунок 6.35 – Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму с испусканием оптического фонона

Поэтому в качестве времени жизни неравновесных носителей – важнейшего параметра фоточувствительного материала – выступает характерное время захвата в квантовую яму _Р. По сравнению с обычным временем жизни, связанным с захватом рекомбинационными центрами, _Р обладает двумя важными отличиями.

В о-первых, _Р значительно (на несколько порядков) меньше времени захвата центрами. Причина в том, что акт захвата связан с необходимостью передачи решетке от носителя достаточно большой энергии, равной энергии связи центра или же величине Е при захвате в квантовую яму. Наиболее эффективный механизм передачи энергии – это испускание оптических фононов с энергией h₀. Фонон – это один квант колебаний кристаллической решетки. Однако энергия связи центров отнюдь не совпадает с h₀, и потому такой процесс невозможен. Электрон должен отдавать энергию в ходе значительно более медленного каскадного процесса испускания многих акустических фононов. В случае квантовой ямы наличие непрерывного спектра движения в плоскости ямы существенно меняет ситуацию. Становится возможным переход на связанное состояние в яме при испускании оптического фонона с одновременной передачей оставшейся избыточной энергии в движение в плоскости ямы в соответствии с рисунком 6.37. Если исходный электрон имел энергию, близкую к краю зоны в широкозонном материале, то из рисунка 6.37 видно, что испускаемый фонон должен иметь достаточно большой импульс в плоскости квантовой ямы

. (6.30)

Значительно большая величина взаимодействия электронов с оптическими фононами, нежели с акустическими, определяет малость _Р по сравнению с временем захвата из центра.

Во-вторых, _Р немонотонным, осциллирующим образом зависит от параметров ямы. Это связано со свойствами волновой функции электронов в делокализованных состояниях над квантовой ямой _Е. Если яма не является резонансной, то амплитуда этой волновой функции в непосредственной окрестности ямы при малой энергии электрона весьма мала. Собственно _Р будет относительно велико. Для резонансных квантовых ям вероятность захвата возрастает, т. е. _Р падает.

Фотопроводимость рассматриваемой структуры, так же как и обычного фоторезистора, определяется произведением трех факторов: скорости оптической генерации, которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту поглощения , времени жизни в делокализованном состоянии _Р и эффективной подвижности в нем _эф, которая, очевидно, должна быть пропорциональна квантово – механическому коэффициенту прохождения электрона над квантовой ямой. Однако анализ показывает, что совокупное действие всех факторов оказывается таковым, что фотоприемники на квантовых ямах будут иметь лучшие параметры в случае резонансных ям.

Для самой распространенной гетеросистемы GaAs/Al_XGa_1-XAs, c х от 0,2 до 0,25 условие резонанса выполняется для ям с толщиной, кратной 40 Ǻ. Если толщина составляет от 40 до 45 Ǻ, то диапазон фоточувствительности структуры лежит в области длин волн порядка 8 мкм, соответствующей одному из окон атмосферной прозрачности и потому очень важной для практических применений. Приемники на основе квантовых ям могут составить конкуренцию фоточувствительным структурам на основе твердых растворов CdHgTe – важнейшему типу приемников для данного спектрального диапазона.

Основным достоинством структур на квантовых ямах является большая стабильность и меньший разброс параметров, что особенно важно для матричных фоточувствительных структур.

Путем сравнительно небольших изменений состава широкозонных слоев и толщины ямы можно менять положение максимума и ширину полосы фоточувствительности. Последнее обстоятельство связано с тем, что по мере нарушения точного условия резонанса спектр фотоионизации квантовой ямы становится более плавным и имеет менее резкий максимум.

В связи с тем, что оптическая ионизация квантовых ям может вызываться лишь светом, поляризованным по нормали к квантовым слоям, описанные фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет требуемым образом. Есть два основных способа сделать это. Свет может на­правляться в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки в соответствии с рисунком 6.36 (а). В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке, специально нанесенной на верхнюю поверхность структуры в соответствии с рисунком 6.38 (б).

а) Ввод через скошенный торец

б) Ввод с помощью дифракционной решетки

Рисунок 6.36 – Различные способы ввода излучения в фотоприемник с квантовыми ямами

Возможно альтернативное решение проблемы поляризации, позволяющее избежать описанных выше конструкционных усложнений. Речь идет о выращивании квантовых структур из полупровод­ников с анизотропным энергетическим спектром. При наличии анизотропии электрическое поле нормально падающей световой волны, лежащее в плоскости слоев, придает электронам импульс под некоторым углом к этой плоскости. С позиций квантовой механики это означает возможность переходов между различными квантово-размерными уровнями или между уровнем и континуумом состояний над квантовой ямой, что и требуется для работы приемника. На практике для реализации этой идеи чаще всего используют гетероструктуры на основе той же, наиболее освоенной технологически, системы GaAs/Al_XGa_1-XAs, но имеющие не n-, а р-тип легирования. При этом сложный характер энергетического спектра валентной зоны обеспечивает фоточувствительность при нормальном падении света.