14.6 Приложения

14.6.1 Инфракрасные детекторы

П

Рис. 14.20. Зависимость плотности темнового тока от поданного напряжения для фото­детектора дальнего инфракрасного диапа­зона на квантовых точках GaAs/AlGaAs, из­меренная при трех указанных температурах. Показана также фоновая характеристика при 300 К (BG, пунктирная линия).

Рис. 14.21. Зависимость пиковой чувстви­тельности от длины волны при 77 К для на­пряжения 2 В при нормальном падении света и падении под углом 45°.

ереходы между энергетическими уровнями квантовых точек, лежащие в инфра­красной области спектра, такие как показаны на рис. 14.20 и 14.21, используются в инфракрасных фотодетекторах Занятые и незанятые лока­лизованные состояния лежат в ямах, а инфракрасные переходы обозначены вертикальными стрелками. Падающее инфракрасное излучение перебрасы­вает электроны в зону проводимости, а возникающий из-за этого электриче­ский ток является мерой интенсивнос­ти инфракрасного излучения.

Рис. 14.22. Зависимость пиковой чувстви­тельности от напряжения смещения при 77 К при нормальном падении света и паде­нии под углом 45°. Указана длина волны λ_p пиковой чувствительности.

Чувствительность детектора выражается в силе тока (в амперах, А) на один ватт (Вт) падающего излучения. На рис. 14.20 показан график зависимости темновой плотности тока от напряжения для GaAs/AlGaAs фотодетектора на переходах «связанное состояние — непрерывная зона», а на рис. 14.21 представлена зависи­мость чувствительности такого детектора от длины волны для нормального паде­ния и падения под углом 45°. Чувствительность достигает максимума на д лине волны 9,4 мкм. На рис. 14.22 показана зависимость этой пиковой чувствительнос­ти от приложенного напряжения смещения. Рабочее напряжение смещения в 2 В при получении экспериментальных кривых на рис. 14.21 было выбрано из-за того, что, как хорошо видно на рис. 14.22, чувствительность при этом напряжении достигает максимума, а, следовательно, слабо зависит от напряжения. Рабочий диапазон длин волн такого детектора находится между 8,5 и 10 мкм.

14.6.2 Лазеры на квантовых точках

Инфракрасные детекторы, описанные в предыдущем параграфе, основаны на су­ществовании дискретного спектра энергетических уровней квантовых ям, между которыми и происходят индуцируемые инфракрасным излучением переходы. Ра­бота лазера также основана на наличии дискретного спектра уровней, то есть уровней, между которыми могут происходить индуцированные лазерные перехо­ды. Слово лазер (laser) является аббревиатурой от light amplification by stimulated emission, то есть «усиление света при вынужденном излучении». Свет, излучае­мый лазером, монохроматичен и когерентен. Сконструировано множество нано-масштабных лазеров на квантовых ямах и квантовых проволоках. В них электро­ны проводимости локализованы на дискретных энергетических уровнях в одном или двух измерениях соответственно. Гибридные лазеры основаны на «точках в яме», например, квантовых точках InAs, находящихся в квантовой яме из InGaAs. Другая конструкция использует то, что называется InAs квантовыми штрихами, то есть очень короткими квантовыми проволоками, или, с другой точ­ки зрения, вытянутыми в одном направлении квантовыми точками. Этот пара­граф посвящен обсуждению лазеров на квантовых точках, в которых локализация имеет место по всем трем измерениям.

Для работы обычного лазера необходимо наличие среды, содержащей атомы с дискретными уровнями энергии, между которыми могли бы происходить лазер­ные переходы, а также механизма создания инверсной заселенности уровней, при которой на более высокоэнергетичном уровне накапливается большее коли­чество электронов, чем находится на лежащем ниже. В гелий-неоновом лазере ак­тивными являются атомы неона в присутствии атомов гелия, в Nd-YAG твердо­тельном лазере активные атомы — это замещающие атомы неодима (с концентра­цией около

10¹⁹ см^-3) в кристалле иттрий-алюминиевого граната. В описываемом ниже лазере квантовые точки играют роль активных атомов.

На рис. 14.24 показана схема конструкции лазера на квантовых точках на ос­нове диода, выращенного на не показанной на рисунке подложке из GaAs n-типа. Верхний металлический слой контактирует с лежащим под ним слоем арсенида галлия. Между этим верхним контактом и не показанной снизу подложкой находится пара обкладок толщиной 2 мкм из А_10,85Ga_0,15As между ними расположен волновой канал толщиной 190 нм из А1_0,05Ga_0,95As. Этот волновод играет роль проводника излучаемого света к выходным окнам на границах структуры. Посредине волновода (тем­ная горизонтальная полоса на рисунке, помеченная QD) находится слой GaAs толщиной 30 нм, в котором лежат 12 мо­нослоев квантовых точек из In_0,5Ga_0,5As с концентрацией 1,5 10¹⁰ см^-2. На нижней врезке

Рис. 14.24. Зависимость выходной мощности в ближнем ИК диапазоне от тока для лазера на квантовых точках, показанного на рис. 14.24, в режиме непре­рывной генерации и излучения через боковую грань при комнатной тем­пературе.

Рис. 14.25. Зависимость критической плотности тока от температуры для лазера квантовых точках, показанного на рис. 14.24, в импульсном режиме излучения через боковую грань.

к рисунку более подробно показана структура волновода. Длина Lс и ширина W может меняться от образца к образцу в диапазоне от 1 до5 мм, a W- от 5 до 60 мкм. Торцы ла­зера покрыты высокоотражающим (> 95 %) слоем из ZnSe/MgF₂, возвращающим большую часть излучения для усиления вынужденной генерации. Свет покидает лазер через боковые стороны структуры.

Зависимость выходной мощности лазера от протекающего тока в непрерыв­ном режиме излучения при комнатной температуре показана на рис. 14.24 (для об­разца размерами Lc= 1,02 мм и W= 9 мкм). При силе тока немного выше поро­гового значения 4,1 мА, отмеченного на рисунке стрелкой (а), излучение лежит в ближней ИК области на длине волны 1,32 мкм, что показано на врезке. Порого­вая плотность тока резко возрастает при температурах выше 200 К, что показано на рис. 14.25 для импульсного режима.