Создание приборов на системах с размерным квантованием

 

Проявление эффектов размерного квантования собственно в электронных приборах наиболее показательно для системы приборов, в которых проявляется эффект одноэлектронного туннелирования в присутствии квантовой точки.

При использовании двух и более переходных систем между двумя электродами находятся малые объекты, которые при определенных условиях (геометрические размеры и температура) могут рассматриваться как квантовые точки, т.е. нульмерные объекты, в которых энергетический спектр представляет собой набор дискретных уровней.

Для полупроводниковых точек необходимая температура будет выше из-за более низкой плотности состояний.

Конструкции одноэлектронных приборов весьма различны, однако их можно классифицировать по нескольким признакам:

по направлению протекания тока конструкции делятся на горизонтальные (латеральные) и вертикальные. В горизонтальных приборах направление протекания тока параллельно плоскости поверхности структуры, в вертикальных - перпендикулярно к плоскости поверхности.

по способу формирования квантовых точек бывают приборы на постоянных и временных квантовых точках.

Термин «квантовая точка» по отношению к малому объекту не всегда корректен, так как квантования энергетического спектра может и не наблюдаться. Однако этот термин широко используется в силу того, что для квантования спектра достаточно понизить температуру. В дальнейшем мы будем придерживаться такой терминологии.

Постоянная квантовая точка существует все время и представляет собой чаще всего какой-либо кластер (металлический или полупроводниковый). Временная квантовая точка создается в двумерном электронном газе путем приложения обедняющих напряжений, т.е. существует лишь во время работы прибора. Кроме того, приборы на временных квантовых точках можно разделить по способу формирования двумерного электронного газа на инверсные и гетероструктурные. В инверсных приборах двумерный электронный газ формируется в инверсных приповерхностных каналах путем приложения соответствующего напряжения. В гетероструктурных приборах двумерный электронный газ сосредоточен на гетерогранице.

По количеству квантовых точек приборы делятся на нульмерные (одноточечные), одномерные (цепочка точек) и двумерные (массив точек).

По управляемости параметрами квантовых точек приборы делятся на неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные, с одним или несколькими затворами).

При рассмотрении общего состояния проблемы по созданию, исследованию и применению квантово-размерных структур в качестве отдельной проблемы следует выделить и особо подчеркнуть, что пути и методы создания таких структур до сих пор являются главным сдерживающим фактором в развитии и широком применении данного приборного направления. Рассмотренные выше технологические подходы хотя и позволяют реализовать электронные наноструктуры, однако не дают возможности надеется на массовое производство поскольку являются уникальными и дорогостоящими. Поиск принципиально новых путей технологической реализации заставляет обратиться к физическим явлениям, интенсивно исследуемым в последнее время и позволяющим надеется на технологический прорыв при их использовании. К таким направлениям следует отнести явления самоорганизации в разупорядоченных твердотельных структурах. Наиболее перспективным ответвлением этого направления является самоорганизация в кристаллах, подвергнутых радиационным воздействиям.

Все квантовые объекты являются гетерофазными, т.е., как правило, имеют разные параметры решетки. Это, в свою очередь, приводит к возникновению деформаций сопряжения. С ними связанные напряжения меняют полную энергию системы. Кроме того, разность параметров решетки влияет на адсорбционные свойства, уже варьирующиеся из-за различных химических потенциалов.

Прогресс в экспериментальном изучении физических свойств квантово-размерных структур тесно связан с развитием технологии их получения и в значительной мере им и определяется. Изготовление квантово-размерных структур в большинстве случаев требует создания полупроводниковых гетеропереходов с необходимыми свойствами. Для этого, прежде всего, необходимо подобрать подходящую пару полупроводниковых материалов. Выбор этих материалов зависит от типа структуры, которую необходимо получить. Для создания структур с двумерным электронным газом на основе гетеропереходов основным условием является требование равенства постоянных решетки у обоих полупроводников. Нарушение этого условия может привести к образованию высокой плотности дислокаций несоответствия вблизи гетерограницы, что резко ухудшает свойства переходов и делает невозможным наблюдение эффектов размерного квантования.

Гетеропереход GaAs-AlxGa1-xAs наиболее часто используют для изготовления квантово-размерных структур. Эти материалы обладают хорошим согласием решеток при любом составе твердого раствора и потому позволяют создавать гетеропереходы с различными разрывами зон на границе. Среди полупроводников класса A₃B₅ есть еще несколько идеальных гетеропар, например InP-In0.53Ga0.47As, но они обладают согласием решеток лишь при одном фиксированном составе и потому не позволяют варьировать ДЕ_С и Д Е_V. Другие классы полупроводников реже используются для изготовления квантовых гетероструктур. Одно из главных требований к технологии изготовления квантовых гетероструктур связано с необходимостью получения очень резких гетеропереходов с переходным слоем промежуточного состава, имеющим толщину всего в несколько постоянных решетки. Как видно из рис. 37, для плавного перехода образуется потенциальная яма большой ширины, что уменьшает расстояние между уровнями Еn и затрудняет наблюдение квантовых размерных эффектов.

 

 

Рисунок 37. Потенциальный профиль края зоны проводимости для резкого (а) и плавного (б) гетеропереходов

 

Другим важным требованием к технологии является возможность получения сложных профилей состава и легирования. При изготовлении сверхрешеток необходимо строго периодически менять состав растущего слоя, причем период изменения может составлять лишь несколько десятков ангстрем. При выращивании д-слоев и структур с модулированным легированием необходимо со столь же высокой точностью менять концентрацию легирующих примесей.

Далеко не всякая эпитаксиальная технология удовлетворяет приведенным требованиям. Плохо пригодными, в частности, оказываются наиболее распространенные методики газотранспортной и жидкостной эпитаксии. Получение сложного профиля состава и легирования наталкивается на ряд технических трудностей, а сравнительно высокая температура роста вызывает диффузионное размывание гетерограницы, не позволяя получать очень резкие границы.

В настоящее время наиболее часто для изготовления качественных гетероструктур применяют метод молекулярно лучевой эпитаксии. Другим возможным способом изготовления гетероструктур является газовая эпитаксия из металлоорганических соединений. Она не требует столь сложного и дорогого оборудования, обладает меньшими возможностями контроля и управления, но, тем не менее, позволяет растить гетеропереходы требуемой резкости и структуры достаточно сложного профиля, включая сверхрешетки, квантовые нити и точки.

Получение одно- и нульмерных структур возможно путем выделения их с помощью литографии. Однако это требует применения особых методов литографии - нанолитографии, поскольку столь малые структуры трудно приготовить при помощи стандартных методов.

Значительные успехи были достигнуты в изготовлении квантовых точек и квантовых нитей с использованием эффектов самоорганизации упорядоченных наноструктур на полупроводниковых подложках. Этот метод предъявляет специфические требования к материалам гетеропары [1,3,8].

 

 

Заключение

 

В настоящей работе проанализированы особенности создания длинноволновых ВИЛ на подложках GaAs и проведено сравнительное исследование характеристик приборов с активными областями на основе КТ InAs/InGaAs и КЯ InGaAsN. Анализ показывает, что уровень электрических и внутренних оптических потерь для структур второго типа значительно выше, что связано с неоптимальной конструкцией вертикального полупроводникового микрорезонатора. Тем не менее, благодаря высокому оптическому усилению активной области, ВИЛ на основе КЯ InGaAsN имеют рекордную выходную мощность для всех ВИЛ на подложках арсенида галлия (> 1 мВт в непрерывном режиме). Оптимизация конструкции должна существенно улучшить их характеристики. Что касается ВИЛ на основе КТ, для них целесообразно использовать микрорезонаторы с РБО Al x O y /GaAs, которые обеспечивают минимальный уровень внутренних оптических потерь (0.04-0.05% на один проход фотона), низкие пороговые токи (<2 мА) и высокую дифференциальную эффективность (∼ 40%). Представляется, что ВИЛ на основе КТ будут иметь преимущества при создании приборов с малыми (менее 1−2 мкм) размерами излучающей области из-за подавления латеральной диффузии носителей.

Обобщая результаты исследования и сравнения ВИЛ на основе КТ InAs/InGaAs и КЯ InGaAsN можно сделать следующие выводы:

—      высокий уровень оптического усиления, достигаемый в структурах на основе КЯ InGaAsN, позволяет реализовать ВИЛ на основе полупроводниковых микрорезонаторов с относительно высокими внутренними потерями;

—      для реализации ВИЛ на основе массивов КТ целесообразно использовать резонаторы с Al x O y -зеркалами, которые по своим оптическим характеристикам, как правило, существенно превосходят резонаторы с полупроводниковыми зеркалами.