Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 30

Из этогоматериала можно получать низкоразмерныеструктуры (квантовые ямы, проволоки, точки) разной формы (плоские,цилиндрические,шарообразные,конусообразные,кольцеобразные,эллипсообразные и т.д).Необходимоотметитьследующиевозможностинизкоразмерныхполупроводниковых сверхрешеток:1)получение на их основе нового материала с заданнымипараметрами (энергетической структурой);2)использованиеэтогоматериаладлясозданияполупроводниковых лазеров на массивах квантовых точках инжекционноготипа (самые эффективные на сегодняшний день за счет высокихкоэффициента усиления, стабильности, узкой полосы спектра излучения, атакже симметричности спектра, условий работы, не требующих сверхнизкогоохлаждения);3)использование новых материалов для получения фотодетекторовна переходах между уровнями размерного квантования сверхрешеток винфракрасном (длинном и сверхдлинном) диапазоне длин волн 3-35мкм, что206невозможно осуществить с помощью обычных полупроводников из-заотносительно широкой запрещенной зоны.Общий недостаток сверхрешеток на полупроводниках:1)технологические трудности при создании массивов квантовыхточек для лазеров (однородных по размерам, формам и бездефектных даже сиспользованием метода самоорганизации на основе осаждения паров имолекулярно-лучевой эпитаксии [10]);2)наличие большего фонового тока (теплового), уменьшающегочувствительность фотодетектора из-за использования легирующих добавок вполупроводниках, имеющих свободные электроны, легко переводящиеся взонупроводимостиприколебанияхкристаллическойрешеткиистолкновениях с фононами, а также из-за эффекта туннелирования междуквантовыми ямами [86].Преимущества и недостатки изотопических сверхрешетокВ изотопических сверхрешетках пространственное ограничение дляносителей заряда внутри кристаллов при формировании квантовых ямсоздается благодаря сочетанию слоев из разных изотопов одного и того жевещества, в отличие от просто сверхрешеток, в которых чередуются разныеполупроводниковые материалы (желательно с минимальной разницейпостоянных кристаллической решетки).

Разница в кристаллических решеткахв случае разных полупроводников влияет на распределение энергетическихзон [10], что затрудняет проектирование нового материала с заданнымипараметрами и создания лазеров с узкой и симметричной шириной спектраизлучения.Кроме того, добавление легирующих добавок в полупроводникиувеличивает количестводефектов, которые снижают чувствительностьфотодетекторов и влияют на эффективность лазеров.Какизвестно,изотопыимеютпрактическиидентичнуюкристаллическую решетку. Следовательно, позволяют получить лазеры с207минимальными флуктуациями ширины спектра излучения. Выигрыш отиспользования изотопических сверхрешеток можно оценить с помощьюрасчета зависимости энергии квантования от ширины ямы (барьера). Дляэтого нужно учесть последствия растяжения или сжатия кристаллическойрешетки при сопряжении слоев с разными постоянными кристаллическойрешетки.

Любое механическое напряжение – это изменение ширины слоя,например, на величину соизмеримую с постоянной кристаллической решетки(0,1нм), которое учитывается при составлении дисперсионного уравнениядля оценки энергетических уровней. Технологические погрешности приизготовлении также могут влиять на энергетическую структуру новогоматериала, следовательно, их можно оценить по такой же методике.Изотопические слои создаются из чистых изотопов с помощьюразличныхтехнологий(молекулярно-лучевойэпитаксии,ядерноголегирования), которые могут обеспечить на сегодняшний день самуювысокую точность изготовления.Отсюда, преимуществами нового материала на базе изотопическихсверхрешеток можно считать использование: 1) структуры сверхрешетки,позволяющейпроектироватьнужныеоптическиехарактеристики;2)собственных изотопов вещества, имеющих одинаковую кристаллическуюрешетку; 3) изотопических технологий, например, метода нейтронноготрансмутационноголегирования,обеспечивающеговысокоекачествоизготовления.В качестве недостатков следует отметить относительно малую разницув ширине запрещенных зон изотопов, например, кремния.

Известно, что чемменьше высота потенциального барьера в квантовой яме, тем вышевероятность туннелирования носителей заряда через разделительные слоиИСВР. Это может быть как положительным фактором, так и отрицательным.Например, для оптического модулятора повысится быстродействие за счетускорения вывода носителей из активной зоны (эффект электропоглощения)или увеличения плеча дипольного момента и уменьшение инерционности208материала (эффект электропреломления). Для фотоприемника повышениевероятности туннелирования может привести к увеличению темновых токов.Известно,чтоэффективностьлазерныхустройствоцениваетсякоэффициентом усиления, который равен отношению мощности излучения кквадратупороговоготока(токанакачки).Мощностьизлученияинжекторного лазера определяется количеством легирующих добавок вполупроводнике. В то же время эти примеси являются точечными дефектамикристаллической решетки, которые снижают вероятность излучательнойрекомбинации электронов (экранирующее действие дефектов), т.е.

влияют накоэффициент усиления лазеров. Кроме того, любые дефекты увеличиваютоптические потери за счет эффекта рассеяния света. Особенно негативноевлияниедефектыоказываютнапроцессвозбужденияэлектронов(экситонов), что очень важно для работы не только лазеров, фотодетекторов,но и вычислительных ячеек квантовых компьютеров.

Изотопическиесверхрешетки существенно улучшат эффективность лазеров за счетизотопических эффектов, связанных с экситон-фонноным взаимодействием(изменяется спектр оптических фононов и снижается число дополнительныхканалов рассеяния электронов).напряжений между слоями иКроме того, отсутствие механическихвозможность более точного изготовленияоптимальной ширины слоев за счет ядерной технологии, как уже отмеченовыше, обеспечит более узкий спектр излучения, что очень важно дляувеличения дальности волоконно-оптической связи и повышения скоростипередачи сигналов.Следует ожидать также повышение чувствительности фотодетекторовнаизотопическихсверхрешетках.Чувствительностьфотодетекторасоответствует уровню мощности шума, который имеет место в отсутствиесвета.

Этот шум во многом зависит от величины фонового (теплового) тока иквантовойэффективностиматериалафотодетекторазначительно выше для изотопических материалов (см. 5.3).[56,86],которая209Как было отмечено выше, изотопически чистые вещества обладаютопределенными отличиями в спектрах поглощения и рассеяния света посравнению с материалами, имеющими естественное содержание различныхизотопов [32].

Это проявляется не только в уменьшении оптических потерьиз-за рассеяния фотонов (повышения квантовой эффективности), ноиснижении энергии фононов, вызванных колебаниями кристаллическойрешетки. Фононы – это кванты энергии, которые вместе с дефектамикристаллической решетки в виде примесей и механических напряженийявляются причинами появления теплового тока.Следует отметить, что точечные дефекты кристаллической решетки, ккоторым можно отнести не только примесные атомы, но и более тяжелыеизотопы исходного вещества, существенно влияют на механические,химические,электрическиеиоптическиесвойстваматериала.Так,«технически» чистый германий по проводимости близок к металлам, сверхчистыйгерманийстановитсяполупроводником.Очищенноежелезоперестает подвергаться коррозии, многие другие металлы при очистке изхрупких превращаются в пластичные [85]. Применительно к изотопамможно повторить следующие примеры: увеличение до 50% содержанияизотопа С 13Кромев кристалле алмаза повышает его теплопроводность в два раза.того,очищениекремнияоттяжелыхизотоповпозволилопроизводителям микропроцессоров в конце прошлого века увеличитьскорость с 1,5 ГГц до 3ГГц [52,63].Учитывая, чтоэффективная масса электронов в изотопическихструктурах меньше, чем в легированных полупроводниках [10] должноувеличиться быстродействие оптоэлектронных устройств, прежде всегооптическихмодуляторов,чтоотразитсянаповышениипропускнойспособности ВОСП.Таким образом, использование изотопических сверхрешеток к качествеэлементной базы ВОСП позволит [50,53,54,87,88]:210а) улучшить спектр излучения лазера, что будет способствоватьповышению скорости и дальности передачи информации;б) увеличить чувствительность фотоприемников, что положительноповлияет на энергетический бюджет, а именно, на качество и дальностьволоконно-оптической связи;в) повысить быстродействие оптических модуляторов, что приведет кповышению пропускной способности волоконно-оптических линий связи.6.5 Разработка и внедрение методов комплексного анализа качествананоструктур на основных этапах жизненного цикла ИНСАнализ качества конечного продукта на основных этапах жизненногоцикла является важным инструментом управления техническим уровнемоптоэлектронных устройств.