Физика гетероструктур

чили создание сверхвысокочастотных полевых транзисторов, ныне имеющихся в каждом сотовом телефоне, генераторов и смесителей гига- и терагерцового диапазонов. Полупроводниковые светодиоды и лазеры, фотоприемники инфракрасного диапазона, резонанснотуннельные диоды, высокоэффективные солнечные элементы обязаны своему появлению гетероэпитаксиальным структурам соединений А3В5. Достижение предельных параметров оптоэлектронных устройств и получение новых типов элементов оптоэлектроники связано с понижением размерности эпитаксиальных систем, использованием гетероструктур с квантовыми ямами, сверхрешетками, квантовыми проволоками и квантовыми точками. Так, для полупроводниковых лазеров на квантовых точках InAs/GaAs достигнуты значения дифференциальной квантовой эффективности 88% (длина волны 1.25–1.29 мкм), выходной мощности 7 Вт в импульсном режиме при комнатной температуре (длина волны 1.46–1.5 мкм).

Предельные возможности не только полупроводниковых излучателей, но и всей лазерной техники демонстрируют полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР), которые отличаются от обычных полосковых полупроводниковых лазеров расположением брэгговских зеркал лазерного резонатора Фабри-Перо параллельно плоскости полупроводниковой пластины. ЛВР характеризуются низкими значениями порогового тока, высокой частотой токовой модуляции – десятки гигагерц и сверхминиатюрностью. Ожидается уменьшение расходимости лазерного излучения при использовании когерентно связанных матриц ЛВР по сравнению с полосковыми полупроводниковыми лазерами, что существенно расширяет возможности полупроводниковых излучателей и стимулирует исследования в этой области. Ожидается, что именно на базе ЛВР будут созданы полупроводниковые однофотонные излучатели для использования в будущих системах квантовых вычислений и квантовой криптографии.

В ИФП СО РАН совместно с Институтом физики твердого тела Технического университета Берлина исследованы генерационные характеристики ЛВР с квантовыми ямами в активной области на основе напряженных слоев твердых растворов In0.2Ga0.8As нанометровой толщины. В этом случае квантовые ямы характеризуются большим значением коэффициента квантового усиления, что позволяет реализовать на их основе более эффективные ЛВР. Следует подчеркнуть, что именно метод МЛЭ позволяет с высокой точностью выращивать в едином технологическом цикле лазерную структуру, содержащую несколько сотен слоев нанометровой толщины и образующую зеркала резонатора, легированные слои для инжекции носителей заряда в области зеркал и активные слои с квантовыми ямами. В качестве основного средства диагностики использован метод дифракции быстрых электронов in situ, ко-

67

торый позволяет контролировать с высокой точностью процесс формирования каждого моноатомного слоя выращиваемой гетероструктуры за счет регистрации периодических процессов зарождения, роста и слияния двумерных островков осаждаемого материала.

Созданные ЛВР отличаются устойчивой генерацией в одномодовом режиме и высоким значением внешней дифференциальной квантовой эффективности 60%, что обеспечивается большим значением внутренней квантовой эффективности, а также оптимальным соотношением коэффициентов отражения зеркал, которые характеризуются предельно высоким значением коэффициента отражения, близкими к единице. Ватт-амперные зависимости для лазера большой апертуры (500 мкм) демонстрируют высокое значение выходной мощности ЛВР данного типа – до 10 Вт при Т=300 К и 20 Вт при Т=250 К в импульсном режиме. Созданы также матрицы, содержащие 64 ЛВР с удовлетворительной однородностью порогового тока, выходной мощности и длины волны излучения элементов матрицы (λ=957.5±2.5 нм).

Низкопороговые ЛВР оптимизированы для работы при криогенных температурах с низким пороговым током и включают нижнее зеркало лазера, образованное λ/4 легированными слоями GaAs и AlAs, и верхнее зеркало, образованное λ/4 нелегированными слоями GaAs и Al0.95Ga0.05Ox. В данной конфигурации ЛВР осуществляется внутрирезонаторная инжекция дырок в активную область, для чего используются слои p-GaAs, расположенные под верхним зеркалом. Между зеркалами расположена область шириной 2λ, включающая легированные слои p- GaAs, используемые для инжекции дырок, слои p-AlAs и p-Al0.9Ga0.1As, которые частично окисляются с целью формирования оксидной токовой и оптической апертуры лазера, нелегированную квантовую яму In0.2Ga0.8As и туннельно прозрачный слой n-AlAs, используемый для эффективного токового ограничения в активной области. Отметим, что толщины этих слоев находятся в нанометровом диапазоне и составляют от 2 до 40 нм. Между слоем n-AlAs (2 нм) и нижним зеркалом расположен слой n-GaAs, используемый для инжекции электронов в активную область. Малые оптические потери и высокая добротность лазерного резонатора в данном случае определялись использованием высокоэффективных низколегированных (выходное зеркало) и нелегированных (верхнее зеркало) отражателей, что значительно снижает оптические потери на поглощение свободными носителями заряда. С целью уменьшения оптических потерь все высоколегированные слои (контактные, апертурные, туннельные) располагаются в узлах стоячей волны, положение квантовой ямы совпадает с максимумом стоячей волны. Верхнее зеркало, образованное GaAs/Al0.95Ga0.05Ox слоями и слоями Ti/Au, характеризуется очень высоким коэффициентом отражения (0.9999) в широком спектральном диапазоне (700–1200 нм). Выходное GaAs/AlAs зер-

68

кало также характеризуется высоким значением коэффициента отражения, на рабочей длине волны расчетное значение коэффициента отражения (полученное с учетом поглощения на свободных электронах) составляет 0.9989. При Т=80 К резонансная длина волны ЛВР совпадает с максимумом полосы квантового усиления в InGaAs квантовой яме. Ваттамперная зависимость лазера, работающего в режиме непрерывной накачки при Т=80 К, характеризуется низким пороговым током Ith=15 мкА (апертура А=5 мкм), при этом дифференциальная внешняя квантовая эффективность лазера составляет ηе = 26%.

Важный шаг на пути реализации полупроводниковых однофотонных излучателей сделан при использовании в качестве активного слоя InAs квантовых точек малой плотности (≤108 см-2). При малой апертуре А<1 мкм наблюдалось излучение одиночной квантовой точки при токовом возбуждении. В спектре излучения присутствует лишь одна линия, соответствующая рекомбинации экситона одиночной InAs квантовой точки (рис. 7.5). Автокорреляционная функция экситонного излучения, полученная на интерферометре Ханбури – Браун – Твисса, демонстрирует субпуассоновскую статистику излучения, т.е. однофотонный характер излучения.

Рис. 7.5. Излучение p-i-n диода с InAs с квантовой точкой в активном слое при токовой апертуре А < 1 мкм (яркая точка в центре).

Квантоворазмерные эпитаксиальные гетероструктуры GaAs/AlGaAs представляют основу для создания фотоприемников, использующих для регистрации излучения возбуждение квантами света носителей заряда из слоев с размерным квантованием (квантовых ям). Зонная диаграмма структуры на основе квантовых ям в многослойной системе из квантово-размерных слоев GaAs и барьеров AlGaAs изображена на рис. 7.6. Слои GaAs легируются донорной примесью Si. Для направления поляризации света, перпендикулярной слоям, фотопроводимость в такой структуре обеспечивается носителями, возбужденными непосредственно со связанного основного уровня в состояния квазинепрерывного спектра над барьером, либо возбуждением на связанный уровень в яме с последующим туннелированием в состояния квазине-

69

прерывного спектра. Схематически эти переходы изображены на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Энергетическая диаграмма зоны проводимости эпитаксиальной гетероструктуры с квантовой ямой. Е1 и Е2 – уровни квантования для поперечного движения электронов. Ес – край зоны проводимости объемного материала. Стрелками обозначены пути выброса электрона из квантовой ямы при поглощении фотона.

Параметры фотоприемника (спектральная зависимость коэффициента поглощения, пороговая обнаружительная способность, темновой ток) зависят от положения уровней квантования Еn относительно друг друга и относительно потенциального барьера (край зоны проводимости AlGaAs), от величины тянущего электрического поля, от рабочей температуры и размеров отдельного фотоприемного элемента. Состав AlxGa1- xAs выбирается таким образом, чтобы уровень Е2 находился вблизи верхнего края барьера и удовлетворялись условия W(V) >> 1/t21, где W(V)

– вероятность туннелирования, а t21≈10-13 с – время жизни на возбужденном уровне по отношению к испусканию оптического фонона.

Исследование атомной структуры эпитаксиальных гетероструктур GaAs/AlGaAs, выращенных методом молекулярно лучевой эпитаксии, с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ВРЭМ) демонстрирует высокое совершенство структуры слоев и границ раздела (рис. 10).

Рис. 7.7. Изображение гетероэпитаксиальной структуры GaAs/AlGaAs в

70

высокоразрешающем электронном микроскопе.

На основе эпитаксиальных многослойных структур с квантовыми ямами созданы матричные фотоприемники размерностью 128×128 и 320×256, представляющие собой набор фоторезисторных мезаструктур на подложке полуизолирующего GaAs. Фоторезисторы имеют общий контактный нижний слой и In-столбы на каждом фоторезистивном элементе для создания омического контакта между фотоприемной матрицей и входными ячейками кремниевого мультиплексора, осуществляющего регистрацию фототока и формирование видеосигнала. Для повышения степени поглощения детектируемого инфракрасного излучения под каждым In-столбом в контактном слое n+-GaAs создается при помощи электронной литографии двумерная дифракционная решетка с периодом нанометрового размера. Таким образом, фотоприемные устройства на гетероэпитаксиальных структурах GaAs/AlGaAs представляют наглядный пример практического использования квантоворазмерных наногетероструктур.

Рис. 7.8. Изображение нанокластеров Ge на поверхности Si (111) 7×7. Снимок иллюстрирует преимущественное формирование кластеров во фрагментах элементарной ячейки сверхструктуры (7×7) с дефектами упаковки.

Квантовые точки или нульмерные системы представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице и являются ярким примером самоорганизации в эпитаксиальных гетероструктурах, создаваемых методом молекулярно лучевой эпитаксии. Дискретный спектр энергетических состояний в таких кластерах подобен энергетическому спектру отдельных атомов, что позволяет говорить об «искусственных атомах», несмотря на большое количество атомов в кластерах (островках). В основе метода приготовления эпитаксиальных структур германий-кремний с квантовыми точками лежат результаты исследования начальных стадий осаж-

71

дения германия на атомно-чистую поверхность кремния методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) в сверхвысоком вакууме. На рис. 7.8 представлено СТМ изображение поверхности кремния (111) 7×7 с нанокластерами германия размером менее 5 нм. Установлено, что образование зародышей германия происходит преимущественно внутри половины элементарной ячейки 7×7, находящейся в позиции дефекта упаковки. Такие кластеры обладают значительной температурной устойчивостью. Установлено, что управление плотностью и размером островков германия можно осуществлять при росте германия на поверхности кремния со слоем оксида толщиной в несколько атомных слоев, приготавливаемого непосредственно в установке молекулярно лучевой эпитаксии. Так, при толщине пленки германия в 5 монослоев размеры ост-

ровков в основании составляют менее 10 нм при плотности более 2×1012 cм-2.

Предсказываемое теоретически и наблюдаемое экспериментально квантование энергетического спектра носителей заряда (дырок) в островках германия формирует особенности в транспорте носителей заряда, на вольт-фарадных характеристиках и фотопроводимости структур с квантовыми точками. Так, в субмикронном полевом транзисторе с массивом квантовых точек, реализованном на структуре кремний-на- изоляторе (КНИ), обнаружены осцилляции проводимости канала нанотранзисторов в зависимости от затворного напряжения при температуре измерения от гелиевой вплоть до температуры Т≈150К, обусловленные квантованием энергетического спектра дырок. Другой важный результат состоит в разработке конструкции и исследовании фотоприемников на основе эпитаксиальных структур кремния с массивом квантовых точек германия. Предложена конструкция кремниевого фотоприемника для диапазона длин волн фотонов 10–20 мкм с плавающей базой. Плавающая база выполнена в виде p+-i-p+ структуры с восемью слоями квантовых точек Ge в Si и дельта-легированными бором слоями. В такой структуре при комнатной температуре измерения наблюдаются два пика фотопроводимости, связанные с переходом дырок на первое и третье возбужденные состояния. Квантовая эффективность фототранзистора составила 0.1%, что сравнимо со значением квантовой эффективности, достигнутой в настоящее время для квантовых точек в гетероструктурах на основе соединений А3В5. Разработана технология создания кремниевых p-i-n фотодиодов со встроенными слоями квантовых точек Ge для ближней ИК области (1.3–1.5 мкм). Число слоев с квантовыми точками составило 30, слоевая плотность квантовых точек более см-2, размеры точек менее 10 нм. В таких детекторах достигнута наименьшая из известных в литературе величина темнового тока (А/см2 при обратном смещении 1 В). Квантовая эффективность в условиях нормального падения света на фотодиод достигает значения 3%, что близко к значениям,

72

полученным для фотоприемника на основе напряженных многослойных сверхрешеток Gex/Si1-x. Квантовая эффективность возрастает до значений значения 21 и 16% на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм, соответственно, в волноводных структурах фотодетектора, использующих эффект многократного внутреннего отражения на подложке кремний-на-изоляторе.

Важным достижением в развитии элементной базы ИК техники явились работы по созданию технологии выращивания эпитаксиальных структур на основе соединений кадмий-ртуть-теллур — основного материала для создания фоточувствительных элементов современных систем инфракрасной техники. Особенностью данной технологии для получения гетероэпитаксиальных структур кадмий-ртуть-теллур является применение в процессе молекулярно лучевой эпитаксии метода лазерной эллипсометрии с высоким быстродействием (время одного измерения 200 мкс) и с рекордными параметрами разрешения по толщине (0.2— 0.3нм) и по составу (до 0.05 мольных долей). Применение лазерной эллипсометрии позволяет восстановить профиль состава эпитаксиальных слоев по толщине из сравнения экспериментальных значений эллипсометрических параметров ψ ∆ с расчетными непосредственно в процессе формирования слоев кадмий-ртуть-теллур. В результате контроля химического состава слоев кадмий-ртуть-теллур с нанометровым разрешением по толщине реализованы варизонные структуры с увеличенной шириной запрещенной зоны у границы раздела с подложкой и у свободной поверхности. Вследствие этого резко уменьшено рассеяние носителей заряда у поверхностей и слои кадмий-ртуть-теллур отличаются в несколько раз более высокими значениями времени жизни носителей заряда по сравнению со слоями без вариаций состава. На основе полученных методом молекулярно лучевой эпитаксии высокосовершенных фоточувствительных слоев кадмий-ртуть-теллур созданы большеформатные матрицы 320×240 и линейки 4×288 и 1×576 фотоприемных устройств дальнего ИК диапазона с температурным разрешением до 13.9 мК и числом бездефектных элементов матрицы более 95%. Создание изделий инфракрасной и тепловизионной техники на основе полученных слоев кадмий-ртуть-теллур, матричных и линейчатых фотоприемных устройств создает основу для решения многих практически важных задач в гражданском (металлургия, строительное дело, экология, медицина и др.) и военном секторах экономики России.

Применение нанотехнологий для интеграции на одном кристалле функций восприятия и обработки изображения вместе с использованием квантоворазмерных фоточувствительных наноструктур в ближайшее время открывает перспективы создания систем «искусственного» (технического) зрения с расширенным по сравнению с биологическим зрением спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра (отметим, что биологическое зрение человека форми-

73

ровалось в течение миллионов лет). Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.

Успехи в развитии технологий получения эпитаксиальных структур методами молекулярно лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии при разложении металлоорганических соединений позволили получить достаточно сложные структуры солнечных элементов, включающие p-n переходы, многослойные антиотражающие покрытия, узкозонные контактные слои, широкозонные слои, обеспечивающие концентрацию фотогенерированных носителей, в едином высокоавтоматизированном технологическом процессе. Солнечные элементы на основе арсенида галлия выдерживают большие рабочие температуры по сравнению с кремнием и обладают сверхлинейной зависимостью выходной мощности от интенсивности солнечного излучения, что позволяет применять концентраторы солнечного излучения. Для однопереходных солнечных элементов на основе гетероэпитаксиальной системы GaAs/AlGaAs были получены рекордные значения эффективности преобразования η при освещении концентрированным солнечным светом со спектром АМ1.5 (АМ – air mass) 24.6%. При выращивании структур методом газофазной эпитаксии для условий 100-кратного концентрирования солнечного излучения со спектром АМ0 получено значение η=27.6%. Существенного улучшения характеристик таких солнечных элементов при снижении их стоимости можно достичь путем замены дорогостоящей подложки из Ge или GaAs на более дешевый и технологичный материал – монокристаллический кремний. При этом необходимо развитие технологии эпитаксии совершенных слоев GaAs на т.н. искусственных или альтернативных подложках, в основе которых лежит кремниевая пластина с тонким буферным слоем твердого раствора SiGe.

Дальнейшее развитие технологии создания солнечных элементов на эпитаксиальных гетероструктурах соединений А3В5 связано с применением т.н. каскадных (или тандемных) солнечных элементов. В этом случае отдельные p-n переходы из слоев различного химического состава, поглощающие солнечный свет различной длины, соединяются последовательно с помощью туннельных p-n переходов, специально формируемых между каскадами.

74

Рис. 7.9. Энергетическая диаграмма солнечного элемента с промежуточной разрешенной зоной ПРЗ (Intermediate Band – IB). Указаны края валентной зоны (VB) и зоны проводимости (CB), ширина запрещенной зоны (EG), наибольшей (EH) и наименьшей (EL) запрещенных зон, квазиуровни Ферми (EFB, EFC, EFI).

Новые возможности для создания высокоэффективных солнечных элементов открываются с применением нанотехнологий. На рис. 7.9 представлена структура запрещенной зоны полупроводника, включающая в запрещенной зоне т.н. промежуточную разрешенную зону, которая может быть создана, например, при введении в эпитаксиальную структуру слоя квантовых точек. Согласно теоретическим расчетам эффективность преобразования в такой структуре может превысить 60% для определенных соотношений ширины наибольшей (EH) и наименьшей (EL) запрещенной зоны данной структуры (рис. 7.9). Одной из причин повышения η для полупроводниковых систем с промежуточной разрешенной зоной является то обстоятельство, что фототок увеличивается за счет поглощения света на элементе с двумя значениями ширины запрещенной зоны EL и EH, а фотонапряжение соответствует полупроводнику с шириной запрещенной зоны EG.

75

ГЛАВА 8. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ

§ 8.1. Концепция фотонного кристалла

Со времени публикации Луи де Бройлем гипотезы о волновых свойствах материальных частиц волновая механика вещества стала хорошо развитой областью естествознания и позволила дать согласованное описание свойств атомов, молекул, кристаллов, а также предсказать свойства новых искусственных объектов, например квантоворазмерных полупроводниковых структур. На начальном этапе квантовая механика во многом «подпитывалась» представлениями, возникшими в классической волновой физике (например, дифракция и интерференция электромагнитных волн). В наше время наблюдается интересный обратный процесс: результаты квантовой механики, не связанные с квантовой статистикой, зарядовыми эффектами, спиновыми свойствами элементарных частиц, переносятся в оптику и электромагнетизм и создают основу для формирования новых разделов оптики и электродинамики «несплошных» сред и соответствующих направлений прикладных исследований и разработок. Концепция фотонного кристалла возникла на основе аналогии между свойствами электромагнитных волн и свойствами электронов в кристаллах. Формирование и развитие этой концепции стало возможным благодаря переносу представлений квантовой теории твердого тела для одночастичного случая (одноэлектронное приближение) на случай электромагнитных волн. Поэтому изложение основных представлений о фотонных кристаллах целесообразно начать с краткого обзора общих закономерностей движения квантовой частицы в периодическом потенциале.

§ 8.2. Электроны в кристаллах

Одномерный случай

Рассмотрим частицу в периодическом потенциале (рис. 8.1), удовлетворяющем условию

U(x) = U(x + a) (8.1)

Условие (8.1) означает, что потенциальная энергия инвариантна относительно трансляции вдоль оси x на величину a. Рассмотрим общие свойства волновых функций, удовлетворяющих одночастичному стационарному уравнению Шредингера

76