7 Применение сверхрешеток в электронике
Большую группу применения составляют оптоэлектронные приборы - фотоприемники, светоизлучающие приборы (инжекционные лазеры и светодиоды), пассивные оптические элементы, волноводы, модуляторы, направленные ответвители и др.
Инжекционные лазеры на гетеропереходах имеют преимущества перед обычными полупроводниковыми лазерами, поскольку инжектированные носители в лазерах на гетеропереходах сосредоточиваются в узкой области. Поэтому состояние инверсной населенности носителей заряда достигается при значительно меньших плотностях тока, чем в лазере на p-n-переходе. Применение вместо одиночных гетеропереходов многослойных сверхрешеточных структур позволяет изготовить лазеры, работающие на нескольких длинах волн.
В качестве примера на рисунке 8 показано схематическое изображение структуры многоволнового лазера. В структуре имеется четыре активных слоя AlxGa1-xAs разного состава (x = x1, x2, x3, x4), благодаря которым лазер одновременно работает на четырех длинах волн 1, 2, 3 и 4. Активные слои отделены друг от друга промежуточными слоями AlyGa1-yAs (y > x1, x2, x3, x4). Для создания p-n-переходов в структуре проводилась локальная диффузия Zn.
Рисунок 8 - Схематическое изображение многоволнового лазера
Большую группу приборов на полупроводниковых сверхрешетках составляют устройства с отрицательным дифференциальным электросопротивлением. На основе полупроводниковых сверхрешеток изготавливают также различные транзисторы. Достаточно большая частота квантовых осцилляций электронов в сверхрешетках значительно расширяет возможности изготовленных на их основе приборов СВЧ.
Рассмотрим некоторые применения сверхрешеток в оптоэлектронике, в частности, ИК - фотоприемники и лазеры.
Инфракрасные фотоприемники. Фотоприемники предназначены для регистрации и измерения оптических сигналов и для получения изображений во всех областях спектра, в том числе ИК- и УФ - диапазонах. Наибольшие средства вкладываются в разработки ИК - фотоприемников, используемых в аппаратуре и системах наблюдения, ночного видения, самонаведения, тепловидения и др., а также в волоконно-оптических линиях связи. Для ИК - фотоприемников используются как легированные сверхрешетки, так и многослойные гетероструктуры.
Перспективность гетероструктур GaAs-AlGaAs связана с разработанностью методов формирования тонких слоев, возможностью обеспечить высокий уровень интеграции фотоприемных элементов и элементов обработки фотосигнала.
Сверхрешетки в лазерных структурах. Кроме ИК-фотоприемников, сверхрешетки используются в лазерных структурах - в качестве активных областей и пассивных элементов (волноводы). Принцип работы инжекционных лазеров на сверхрешетках такой же, как для ДГС-лазеров на квантовых ямах. Ступенчатый вид графика плотности состояний и узкие области локализации носителей, участвующих в генерации, обеспечивают низкий пороговый ток и высокий КПД лазеров на сверхрешетках и на квантовых ямах. Если в гетеролазерах на сверхрешетках наращивать слои с различной концентрацией компонентов, можно получить генерацию излучения одновременно на нескольких длинах волн λ. Разработан лазер на четырех активных слоях с четырьмя различными λ.
Сверхрешетки и квантовые ямы имеют более крутой спад края оптического поглощения, чем исходные полупроводники и классические ДГС-структуры. Это уменьшает поглощение генерируемого излучения как в активной, так и в волноводной областях. В лазерах на квантовых ямах сверхрешетки используются в качестве волноводов. Они обеспечивают профиль показателя преломления, позволяющий получать оптимальный волноводный эффект. С каждой из двух сторон активной области располагаются сверхрешетки, содержащие ~ 200 периодов. Всего в лазере может быть до 1000 слоев.
Особый интерес представляют лазеры на сверхрешетках и на системах квантовых ям, излучающие в среднем ИК-диапазоне (λ = 2 - 12 мкм). В диапазоне 2-5 мкм лежат полосы поглощения многих вредных промышленных газов, и с помощью ИК-лазеров этого диапазона можно осуществлять контроль выбросов в атмосферу. В спектре поглощения самой атмосферы имеются "окна прозрачности". Для тепловидения наиболее важны окна 3-5 мкм и 8-12 мкм. Излучение тел с температурой 300 К лежит в диапазоне 8-12 мкм. Длины волн излучения современных ИК-лазеров попадают в окна прозрачности. Эти лазеры могут найти широкое применение в телекоммуникации и локации.
Создание ИК-лазеров с излучением в нужном диапазоне волн во многом стало возможным благодаря методам зонной инженерии, лежащей в основе получения материалов и наноструктур с заданными значениями ширины (ΔEg) и эффективной ширины (ΔEgэф) запрещенной зоны, расстояний между мини-зонами или размерными подзонами. Как уже говорилось выше, эти величины можно регулировать подбором состава полупроводниковых соединений, концентрации компонентов состава, ширины и высоты потенциальных ям и барьеров в наногетероструктурах. Длины волн оптического излучения определяются перечисленными величинами.
Заключение
На основе предложенных в 1970 году Ж.И.Алфёровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.
В России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.
Прошло более 30 лет с тех пор, как началось изучение квантовых эффектов в полупроводниковых структурах. Были сделаны замечательные открытия в области физики низкоразмерного электронного газа, достигнуты поразительные успехи в технологии, построены новые электронные и оптоэлектронные приборы. И сегодня в физических лабораториях активно продолжаются работы, направленные на создание и исследование новых квантовых структур и приборов, которые станут элементами больших интегральных схем, способных с высокой скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации. Возможно, что уже через несколько лет наступит эра квантовой полупроводниковой электроники.
Список использованной литературы
-
Херман М.А., «Полупроводниковые сверхрешетки», г. Москва, 2013г.
-
Силин А.П., «Полупроводниковые сверхрешетки. Успехи физических наук», г. Москва, 2011г.
-
Кульбачинский В.А., «Двумерные, одномерные, нульмерные структуры и сверхрешетки», г. Москва, 2014г.
-
Шик А.Я., Бакуев Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А., «Физика низкоразмерных систем», Санкт-Петербург, 2014г.