Реферат на тему: Размерные эффекты. Квантовые ямы, нити, точки (стр. 5 )

Постепенно, с течением времени выяснилось, что КТ являются хорошей физической моделью для изучения поведения реальных атомов вещества. В некоторых случаях их даже называют искусственными атомами. В принципе, КТ можно попытаться собрать в некоторое подобие вещества, и такие эксперименты успешно проводятся [14]. Таким образом, потенциальная сфера применения КТ огромна и продолжает расширяться. Однако если говорить о практическом применении КТ, можно отметить, что существует ряд принципиальных трудностей, которые сильно ограничивают практические разработки. Прежде всего, это сложности технологического характера. Подбор состава материалов и параметров роста КТ в различных режимах пока в значительной степени остается эмпирическим. Не удается с уверенностью наладить производство упорядоченных массивов КТ на подложках. В стадии разработки находятся различные нелинейные элементы на КТ. Например, те же одноэлектронные транзисторы. Эти и многие другие технологические вопросы все еще ждут своего окончательного решения.

Лазеры на квантовых точках

Кроме слоев с обычными квантовыми ямами, для производства лазеров с продольными металлическими брэгговскими решетками используются структуры с квантовыми точками.

В них квантовая яма заменяется маленькими п/п островками размером порядка несколько нанометров, которые подчиняются квантово-механическим ограничениям. Такие материалы с квантовыми точками обеспечивают усиление в большем спектральном диапазоне. Это означает, что для производимых ОМ ЛД будет доступен более широкий спектральный диапазон [8].

Более того, лазеры на основе квантовых точек имеют более низкий порог плотности тока и меньшую температурную зависимость порогового тока по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Эта особенность дает возможность таким приборам работать при более высокой рабочей температуре.

Лазеры с квантовыми каскадами

Одно из типичных приложений (указанных выше), где применяются сенсоры на основе DFB-лазеров, использует тот факт, что вращательно-колебательные переходы в любых важных(с точки зрения приложений) газах и жидкостях расположены в близком ИК-диапазоне, то есть в спектральном диапазоне излучения лазеров на квантовых ямах и квантовых точках. Однако множественность этих переходов ярко демонстрирует концентрацию поглощения в среднем ИК-диапазоне (то есть вращательно-колебательные переходы между основны- ми электронными состояниями), которые на порядок выше тех, что имеют место в близком ИК-диапазоне (и обусловлены вращательно-колебательными переходами между возбужденными электронными состояниями). Поэтому когерентный ОМ-источник света в среднем ИК-диапазоне может дать больше преимуществ для приложений, использующих его в качестве сенсора, особенно если требуются высокая чувствительность и широкие пределы детектирования. До сих пор этот спектральный диапазон был доступетолько лазерам на солях свинца, которые требуют дорогого и затратного по времени охлаждения жидким азотом. С появлением несколько лет назад так называемых лазеров на квантовых каскадах (QCL) стали доступны новые п/п источники света в среднем ИК-диапазоне, которые могут работать при комнатной температуре или чуть ниже ее. Лазеры QCL –однополярные приборы, то есть их световое излучение –результат внутризонных переходов электронов в зоне проводимости. Технологически приборы формируются как последовательность специально спроектированных эпитаксиальных слоев в процессе роста структуры. Лазеры типа QCL не имеют каких-то фундаментальных ограничений на верхнюю граничную длину волны излучения. Так, длины волн бо'льшие, чем 3,4 мкм, можно реализовать с помощью QCL на основе InP, а излучение в спектральном диапазоне выше 8 мкм становится возможным при использовании GaAs-подложек.

Можно получить ОМ-излучение, используя продольнуюметаллическую решетку в структуре QCL. Например, DFB-решетка может быть расположена на вершине гребня волно-вода, как это показано на рис.14.

Рис.14 структурная схема квантового каскадного лазера с

металлической решеткой, нанесенной на верхнюю

часть волновода

При такой конструкции структура решетки вытравливается в п/п материале, а ее штрихи (бороздки) заполняются затем металлом, который играет роль контакта при инжекции тока в прибор. Аналогично концепции продольной металлической решетки, описанной выше, эта структура решетки также обеспечивает пространс твенно-периодические изменения ПП для направляемой световой моды, которая (в свою очередь) создает излучение ОМ-лазера. Этот прибор может работать в импульсном режиме при комнатной температуре, излучая длину волны 10,8 мкм, которая, в частности, может использоваться для высокочувствительного детектирования NH3.

Новая концепция DFB-лазеров с продольной металлической решеткой позволяет осуществить экономичное производство ЛД, излучающих в широком спектральном диапазоне. В отличие от обычной технологии DFB-решеток она позволяет полностью исключить этапы сложного эпитаксиального наращивания. Вместо этого можно использовать более простой процесс, применимый ко всем установившимся полупроводниковым соединениям (А3В5) в оптоэлектронике и облегчить тем самым путь к созданию приборов, излучающих желаемую длину волны и дающих большой выход годных. Диапазон применений этих DFB-лазеров простирается от создания сенсоров (используемых для анализа окружающей среды, в медицине и системах обеспечения безопасности) до процессов управления, систем связи и других приложений.

Лазер на квантовой яме.

Для того, чтобы квантовую яму превратить в лазер, нужно ее подсоединить к двум контактам, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область. Пусть через один контакт электроны поступают в зону проводимости. Далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, они будут излучать кванты. То есть порции электромагнитного излучения. Затем через валентную зону ноители тока должны уходить на другой контакт. Электромагнитное излучение, генерируемое лазером, нужно концентрировать в центральной, рабочей области прибора. Для этого показатель внутренних слоев должени быть больше, чем внешних. Можно еще сказать, что внутренняя область играет роль волновода. На границах этого волновода нанесены зеркала, которые образуют резонатор.

Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полкпроводниковыми лазерами. Очень важно, что эти приборы можно перестраиать, управляя параметрами энергетического спектра. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную населенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономны, они питаются меньшим током, нежели другие полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой энергии – до 60% электрической мощности преобразуется в свет.

Квантовые нити.

В полупроводниковых структурах, где движение электронов по одной из координат ограничено, начинают проявляться эффекты квантования вдоль этой координаты. В результате свободное движение электронов из трехмерного становится двумерным, что кардинально меняет большинство электронных свойств и является причиной новых интересных эффектов, в том числе квантового эффекта Холла.

Вполне естественно сделать еще один шаг на этом пути и создать (или по крайней мере попытаться это сделать) одномерные электронные системы, часто называемые квантовыми нитями. Для этого необходимо иметь нечто действительно напоминающее тонкую нить, где движение электронов резко ограничено в двух направлениях из трех и лишь вдоль оси нити (будем называть ее осью х) остается свободным. При этом за счет малых поперечных размеров нити движение в плоскости yz квантуется, и его энергия может принимать лишь некоторые дискретные значения, так что полный закон дисперсии имеет вид

где m - эффективная масса электронов. Видно, что каждому дискретному уровню Ei соответствует целый набор возможных состояний, отличающихся импульсом px. При этом обычно говорят не об уровне, а о подзоне размерного квантования с номером i.

Как уже говорилось, переход от трех - к двумерным электронным системам раскрыл перед исследователями целую новую область с большим количеством принципиально новых физических явлений. Можно надеяться, что то же самое произойдет и при новом шаге в область одномерных систем.

Методы изготовления квантовых нитей.

К тому времени, когда экспериментальные исследования квантовых нитей начали разворачиваться во многих лабораториях мира (а произошло это буквально несколько лет назад), технология двумерных электронных систем уже достигла высокой степени совершенства и получение таких структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии стало в достаточной степени рутинной процедурой. Поэтому большинство способов изготовления квантовых нитей основываются на том, что в системе с двумерным электронным газом (как правило, на основе гетероструктур) тем или иным способом ограничивается движение электронов еще в одном из направлений. Для этого есть несколько способов.

Наиболее очевидный из них - это непосредственное "вырезание" узкой полоски с помощью литографической техники (рис. 13).

При этом для получения электронных нитей шириной в сотни ангстрем, где квантование энергий электронов будет заметным, необязательно делать полоски именно такой ширины, что требует литографической техники сверхвысокого разрешения. Дело в том, что на боковых гранях вытравленной полоски, как и на свободной поверхности полупроводника, образуются поверхностные состояния, создающие, как правило, слой обеднения. Этот слой вызывает дополнительное сужение проводящего канала, в результате чего квантовые эффекты можно наблюдать и в полосках большей ширины - порядка десятой доли микрона.

Можно поступить и иначе. Поверхность полупроводниковой структуры покрывают металлическим электродом, создающим с полупроводником контакт Шоттки и имеющим узкую щель. Если гетерограница находится достаточно близко от поверхности, в слое обеднения, то двумерные электроны на границе будут отсутствовать всюду, кроме узкой области под щелью. Такой тип одномерной структуры обладает дополнительным преимуществом: меняя напряжение на затворе, мы можем управлять эффективной шириной квантовой нити и концентрацией носителей в ней.

Практическое применение квантовых нитей

Исследования квантовых нитей только разворачиваются, и возможности практического приборного применения подобных структур исследованы еще недостаточно. Четко просматривается пока одна такая область, связанная с полупроводниковыми лазерами.

Для работы лазера в режиме генерации необходимо, чтобы усиление света в резонаторе было больше полных потерь. При равенстве полных потерь в резонаторе для достижения порога генерации нужно инжектировать в активную область лазера тем меньше носителей, чем больше плотность состояний вблизи края зоны. Это означает, что для уменьшения порогового тока (важнейшей характеристики инжекционных лазеров, которую желательно делать как можно меньше) следует иметь структуру с высокой плотностью состояний. В свое время значительный прогресс в создании лазеров был связан с использованием полупроводниковых структур, содержащих квантовые ямы. Причина этого становится ясной после сравнения рис. 2, а и б, где видно, что плотность состояний вблизи края зоны в квантовых ямах имеет конечную величину, то есть значительно превосходит плотность состояний в массивном полупроводнике, обращающуюся в нуль на краю. Рисунок 2, в указывает на то, что в квантовых нитях можно ожидать еще большего улучшения характеристик лазеров из-за обращения плотности состояний в бесконечность. Разумеется, в реальных структурах из-за уширения квантовых уровней за счет рассеяния носителей плотность состояний будет иметь конечное значение, но тем не менее в квантовых нитях высокого качества можно рассчитывать на дальнейшее снижение порогового тока.

Будущие исследования квантовых нитей, безусловно, откроют и другие перспективы их приборного применения.

Заключение.

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 иссследоание 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 используемой литературы:

Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое? Демиховский образовательный журнал, №5, 1997 Квантовые нити. . Соровский образовательный журнал, №5, 1997 , Физика квантовых низкоразмерных структур. М.: Логос, 2000. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор . 1988. Методы получения и применения квантовых точек. Виталий Грибачев.

Й. Коэф, М. Фишер, М. Легге, Й. Сейферт, Р. Вернер. Лазеры с распределенными брэгговсками решетками на квантовых ямах, точках и с квантовыми каскадами.

http://www. nanonewsnet. ru/news/2007/rnk-terapiya-s-pomoshchyu-samonavodyashchikhsya-kvantovykh-tochek http://kbogdanov1.narod. ru/nanotechnology/QD. htm http://www. pereplet. ru/obrazovanie/stsoros/327.html http://dic. academic. ru/dic. nsf/enc_physics/2399/%D0%A0%D0%90%D0%97%D0%9C%D0%95%D0%A0%D0%9D%D0%AB%D0%95\ http://stud. ibi. spb. ru/162/kozeing/html_files/create_structure. html http://www. nanometer. ru/2009/02/18/kvantovanie_60223.html http://www. nanonewsnet. ru/news/2009/mikroskopicheskii-khirurg