Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 28
Текст из файла (страница 28)
7.11б). Поэтому свет идет по активному слою, как по волноводу, за счет эффекта полного внутреннего отражения значительной части индуцированныхфотонов (см. рис. 7.11а). Таким образом, в ДГСлазерахпроисходит пространственное накопление неравновесныхносителей (дырок и электронов) в слое GaAs; увеличивается также вероятность их рекомбинации и интенсивностьрекомбинационного излучения. Волноводный эффект обеспечивает направленность лазерного луча.Если активный слой (GaAs) представляет собой квантовую яму (см.
рис. 7.11г), то инжектированные прямымтоком электроны и дырки располагаются на размерныхэнергетических уровнях. Рекомбинационные переходы,показанные вертикальной стрелкой, дают излучениеh1 2 3Eg 4 3EC1 4 3EV1 .Одно из преимуществ лазеров на квантовых ямах —возможность перестройки частоты излучения изменением толщины активного слоя d. С уменьшением величины dувеличиваются расстояния от краев зон до первых размерных уровней, увеличивается и частота излучения. Другоепреимущество — снижение порогового тока.
Пороговыйток — это ток, при котором начинается лазерная генерация. Генерация начинается при такой степени инверсии населенности верхних и нижних уровней, когда усиление излучения при взаимодействии с активным слоемпревосходит потери энергии, обусловленные выходом излучения наружу и поглощением в гетероструктуре.У лазеров на квантовых ямах есть и другие преимущества, связанные с размерным квантованием, например,более слабая температурная зависимость порогового тока,большее дифференциальное усиление.Структура полупроводникового лазера, представленнаяна рис. 7.11г, относится к двухмерным системам.
В двухмерных системах условия для создания инверсной населенности более благоприятны, чем в трехмерных. В массивном полупроводнике плотность квантовых состоянийвблизи края зоны мала (см. рис. 7.5), а непрерывный характер зависимости g(E) обуславливает «расплывание»Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ159инжектированных носителей заряда по состояниям. Этоприводит к необходимости увеличения тока инжекции дляподдержания режима генерации.В квантовой яме плотность состояний не убывает вбли)зи края зоны (см. рис.
7.6б), оставаясь постоянной и рав)m1— число состояний, которые необходимо инвер)2 3 12тировать, уменьшается. Кроме того, за счет малой толщи)ны активного слоя объемная плотность инжектированныхнеравновесных носителей велика. Поэтому генерация на)чинается при гораздо меньшей плотности инжекционноготока и составляет в лучших образцах величину порядка~50 А/см2.
Благодаря ступенчатому характеру зависимо)сти g(E) менее выражено температурное «расплывание»носителей по состояниям, поэтому в лазерах на кванто)вых ямах температурная стабильность порогового токадостаточно высока.В квантовых точках энергетический спектр меняетсяеще более радикально, становясь дискретным. Отсутству)ют квантовые состояния, которые содержат электроны,но не принимают участия в усилении оптического излуче)ния.
Поэтому в лазерах на квантовых точках пороговыйток уменьшается еще значительнее и становится темпера)турно независимым.ной7.4.РЕЗОНАНСНЫЙТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ7.4.1.РЕЗОНАНСНОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕТуннельный эффект (см. пп. 4.5 и 4.6) состоит в про)хождении микрочастиц сквозь потенциальный барьер,высота которого U0 больше энергии налетающей частицы.При этом не всякий раз частица с данной энергией прой)дет сквозь барьер. Существует определенная вероятностьее прохождения сквозь барьер, называемая коэффициентом прозрачности D (см.
формулу 4.14). Величина D тембольше, чем меньше ширина барьера d и разность между его160НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьабвгдРис. 7.12Структура (а),энергетическиедиаграммы (б, в, г)и вольтамперныехарактеристики (д)резонанснотуннельногодиода:пунктир на рис. д — идеализированная характеристика, сплошная кривая — реальная характеристика.высотой U0 и энергией частицы E, т. е. «дефицит» энергиичастицы внутри барьера (U0–– Е). В наноразмерной структуре этот эффект сможет проявиться, например, в прохождении электронов сквозь слоидиэлектрика.
Время туннелирования t очень мало. Оно имеет порядок12 10115 с,0U 1Eчто можно оценить, используя соотношение неопределенностей (4.6). Туннельныйэффект имеет заметную вероятность, если d соизмеримо сдлиной волны де Бройля электрона. Он определяет пределыфункционирования элементовИМС на основе традиционныхпринципов. Но если положитьтуннельный эффект в основупринципа действия прибора,то это может повысить его быстродействие (до сотен ТГц).Например, на этом принципеработают одноэлектронныеустройства (см.
п. 7.6).Дополнительными полезными для наноэлектроникиособенностями обладает такназываемый резонансный туннельный эффект (рис. 7.12).Он проявляется в двух илимногобарьерной периодическойструктуре и состоит в резком увеличении вероятностипрохождения частицы сквозьЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ161барьеры, если ее энергия совпадает с какимлибо размерным уровнем энергии в потенциальной яме, разделяющейбарьеры (рис. 7.12в).
Резонансное туннелирование сквозьряд барьеров возникает только в случае, если ширина ями барьеров имеет порядок длины волны де Бройля. В этомэффекте время прохождения электроном структуры вклю0чает, помимо времен туннелирования, время пребыванияэлектрона в яме, разделяющей барьеры, т. е. время егожизни t на резонансном уровне.
Например, согласно оцен0ке, для двойной гетероструктуры, состоящей из слоевAl0,3Ga0,7As (5 нм)–GaAs (7 нм)–Al0,3Ga0,7As (5 нм) при вы0соте барьеров 0,2 эВ, время t ~ 8×10–12 с, т. е. все же дости0гается терагерцевый диапазон. Величина t уменьшаетсяпри дальнейшем уменьшении размеров структуры.Двухбарьерные структуры представляют большой ин0терес для электроники, так как на их основе могут рабо0тать СВЧ0приборы в диапазоне сотен ГГц и переключателис задержкой менее 1 пс.
Созданы приборы на основе двух0барьерной структуры — резонансно0туннельные диод итранзистор. Разработаны и находят применение многобарь0ерные структуры, которые называются сверхрешетками.7.4.2.РЕЗОНАНСНОТУННЕЛЬНЫЙ ДИОДВариант структуры резонансно0туннельного диода изо0бражен на рис. 7.12а. На рис.
7.12б,в,г приведены энерге0тические диаграммы, поясняющие работу диода. Основныечасти диода: 1 и 5 — сильнолегированные слои n+0GaAs,(эмиттер и коллектор), толщина этих слоев лежит за пре0делами нанометрового диапазона; 3 — квантовая яма тол0щиной d3 = 3–10 нм, слой (из слаболегированного пGaAs):2, 4 — барьеры из AlxGa10xAs толщиной d2 = d4 = 2–5 нм.Высота барьеров U0 зависит от концентрации алюминия x.Величина U0 возрастает от 0,2 эВ при x = 0,3 до 0,35 эВ прих = 1. Предполагается, что высота барьера U0 и ширинапотенциальной ямы d3 подобраны так, что в яме образует0ся только один размерный квантовый уровень Е1.
Вели0чина EC1,5 соответствует дну зоны проводимости арсенидагаллия GaAs; величина EC2,4 — дну зоны проводимости162НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьсоединения AlGaAs; EF1 , EF — уровни Ферми в сильнолегированных слоях GaAs. (В сильнолегированных nполупроводниках уровень Ферми располагается в зоне проводимости, и все уровни от дна зоны проводимости до уровняФерми при низких температурах заняты электронами.
Нарис. 7.12б,в,г штриховкой показаны заполненные уровни.)Энергетическая диаграмма, представленная на рис.7.12б, соответствует состоянию равновесия структуры.Напряжение между эмиттерами и коллектором U = 0, токв структуре отсутствует.Если приложить небольшое напряжение U и постепенно повышать его, то через структуру пойдет слабыйток, обусловленный обычным туннелированием электронов через потенциальный барьер 2 (см.
участок 0–U1, нарис. 7.12д). При этом энергетические уровни эмиттера 1будут подниматься относительно уровней коллектора 5.1Значительно больший ток через структуру, связанный срезонансным туннелированием, появится при напряжении U1, когда уровень EF1 (последний уровень в эмиттере,заполненный электронами) сравняется с размерным уровнем Е1 (см. рис. 7.12в).
На рисунке видно, что U1 определяется положениями уровней Е1 и EF1 , и можно записатьE1 1 EF1U1 2 2.eС увеличением U ток I резко возрастает до тех пор, покас размерным уровнем Е1 не сравняется дно зоны проводимости EC1 (см. рис. 7.12г). Это произойдет, еслиEC 1 E1U2 2 2 1.eВ этом выражении EC1 — исходное положение дна зоны проводимости в слое 1 (см. рис. 7.12в). При дальнейшем увеличении U уровень Е1 опускается ниже дна зоныпроводимости, в запрещенную зону, где электронов нет, иток резко падает (вблизи U = U2, см. рис.
7.12б).На рис. 7.12д показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) диода: 1 — идеализированная, 2 — реальная. НаВАХ имеется падающий участок при U = U2, т. е. участок1Полагаем для простоты, что напряжение падает только на барьерах.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ163с отрицательным дифференциальным сопротивлением(сравните с кривой N на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
