5. Материалы современной оптоэлектроники и наноэлектроники

Современная полупроводниковая оптоэлектроника и наноэлектроника базируются на использовании многокомпонентных материалов, создании гетероструктур на их основе, в том числе гетероструктур с квантовыми ямами, проволоками, точками.

Авторам неизвестны учебники и учебные пособия, а тем более практикумы с решением задач, позволяющие обучающимся приобрести необходимые навыки для эффективной деятельности в этой динамично развивающейся области науки и техники.

Авторам представляется, что учебные практикумы и задачники на данную тему должны закрепить знания студентов по важнейшим этапам развития материаловедения полупроводниковых гетероструктур, выделенных академиком Ж. И. Алферовым в его Нобелевской лекции [17].

Выдержки из Нобелевской лекции академика Ж. И. Алферова приведены в данном издании со следующими намерениями:

• Выделить масштабность и конкретность задач для стимулирования самостоятельной работы студентов, имеющих целью профессионально специализироваться в этой области.

• Обозначить содержание практикума, который соответствовал бы современному уровню развития научных знаний.

На фоне массива выделенных этапов можно наглядно показать круг задач, решенных в данном практикуме: развитие и закрепление навыков обучающихся по выбору многокомпонентных твердых растворов и расчету их свойств для приборов оптоэлектроники и наноэлектроники.

Академиком Ж. И. Алферовым была дана следующая классификация гетероструктрур [17]:

I. Классические гетероструктуры

1. Фундаментальные физические явления:

   • односторонняя инжекция;

   • сверхинжекция;

   • диффузия во встроенном электрическом поле;

   • электронное ограничение;

   • оптическое ограничение;

   • эффект широкозонного окна;

   • диагональное туннелирование через гетерограницу.

2. Важные применения в электронике:

   • полупроводниковые лазеры – низкопороговые и работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, РОС- и РБЗ-лазеры (лазеры с резонаторами с распределенной обратной связью и распределенным брэгговским отражателем), вертикальные поверхностно-излучающие лазеры, ИК-лазеры на гетероструктурах II рода;

   • высокоэффективные светоизлучающие диоды (СИД);

   • солнечные батареи и фотодетекторы, основанные на эффекте широкозонного окна;

   • полупроводниковая интегральная оптика на основе РОС- и РБЗ-лазеров;

   • биполярные транзисторы с широкозонным эмиттером;

   • транзисторы, тиристоры, динисторы с передачей светового сигнала;

   • мощные диоды и тиристоры;

   • преобразователи света из ИК в видимый диапазон;

   • эффективные холодные катоды.

3. Важные технологические особенности:

   • принципиальная необходимость структур с хорошим согласованием параметров решетки;

   • использование многокомпонентных твердых растворов для согласования параметров решеток;

   • принципиальная необходимость эпитаксиальных технологий выращивания.

II. Гетероструктуры с квантовыми ямами и сверхрешетки

1. Фундаментальные физические явления:

• двумерный (2D) электронный газ;

• ступенчатый характер плотности состояний;

• квантовый эффект Холла;

• дробный квантовый эффект Холла;

• существование экситонов при комнатной температуре;

• резонансное туннелирование в структурах с двойным барьером и сверхрешетках;

• энергетический спектр носителей в сверхрешетках, определяемый выбором потенциала и упругих напряжений;

• стимулированное излучение при резонансном туннелировании в сверхрешетках;

• псевдоморфный рост напряженных структур.

2. Важные следствия для применений:

• более короткие длины волн излучения, меньшие значения порогового тока, большее дифференциальное усиление, более слабая температурная зависимость порогового тока в полупроводниковых лазерах;

• инфракрасные каскадные лазеры;

• лазер с квантовой ямой, ограниченный короткопериодной сверхрешеткой (КПСР КЯ);

• оптимизация электронного и оптического ограничения и характеристик волновода в полупроводниковых лазерах;

• транзисторы с двумерным электронным газом (НЕМТ);

• резонансно-туннельные диоды;

• высокоточные стандарты сопротивлений;

• приборы на основе эффекта электропоглощения и электрооптические модуляторы;

• инфракрасные фотодетекторы на основе эффекта поглощения между уровнями размерного квантования.

3. Важные технологические особенности:

• нет необходимости в согласовании параметров решеток;

• принципиально необходимо использование технологий с низкими скоростями роста (МЛЭ, МОС ГФЭ);

• метод субмонослойного выращивания;

• подавление распространения дислокаций несоответствия в процессе эпитаксиального роста;

• резкое увеличение разнообразия материалов-компонентов гетероструктур.

III. Гетероструктуры с квантовыми проволоками и точками

1. Фундаментальные физические явления:

   • одномерный (1D) электронный газ (проволоки);

   • функция плотности состояний с острыми максимумами (проволоками);

   • нуль-мерный эффект (0D) электронный газ (точки);

   • функция плотности состояний типа дельта-функции (точки);

   • увеличение связи экситонов.

2. Важные следствия в электронике:

• уменьшенное значение порогового тока лазера и увеличенное дифференциальное усиление;

• уменьшенная температурная зависимость порогового тока (проволоки);

• температурная стабильность порогового тока (точки);

• дискретный спектр усиления и возможность получения рабочих характеристик, подобных характеристикам твердотельных или газовых лазеров (точки);

• более высокий коэффициент модуляции в электрооптических модуляторах;

• возможность создания одноэлектронных устройств;

• новые возможности для разработки полевых транзисторов.

3. Важные технологические особенности:

• применение для роста эффектов самоорганизации;

• эпитаксиальный рост в V-канавках (проволоки);

• литография высокого разрешения и травление структур с квантовыми ямами.