Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Свет с дли"ной волны, соответствующей условиюhch1 22 3Egэф ,4генерирует па´ры электрон–дырка. Речь идет об электронахв нижней мини"зоне зоны проводимости n"слоя и дырках вверхней мини"зоне валентной зоны р"слоев (см. рис. 7.14).Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ169Рис. 7.15Энергетическаядиаграмма, иллюстрирующая принципработы ИКприемникана основе гетероструктур с квантовымиямамиТак как 1Egэф 2 1Eg , то рабочий диапазон l лежит за кра!ем поглощения GaAs в ИК!области; l можно изменять спомощью изменения толщины слоев.Генерируемые светом электроны и дырки сразу ока!зываются пространственно разделенными, поэтому реком!бинация подавлена и время жизни t велико.К внешним слоям структуры прикладывается напря!жение, которое «вытягивает» на электроды неравновесныеносители, регистрируя сигнал.
Темновой ток мал, так какпрактически нет равновесных носителей. Генерируемыеэлектроны при переходе должны туннелировать сквозьбарьер высотой 1Eg 2 1Egэф , что уменьшает вероятностьпоглощения, но компенсируется большим значением t.На рис. 7.15 приведена энергетическая диаграмма зоныпроводимости структуры с квантовыми ямами. Приложен!ное внешнее электрическое поле с напряженностью E со!здает наклон зоны проводимости многослойной структуры.Ширина ям составляет ~4–5 нм, ширина барьеров составля!ет ~40–50 нм. Штриховкой показаны размерные подзоны вямах. В равновесии электроны занимают нижние подзоны.Барьеры относительно широкие, туннельных переходов ме!жду размерными уровнями ям нет, поэтому ток через струк!туру в отсутствие освещения (темновой ток) очень мал.Освещение вызывает переходы электронов типа 1 или 2(см.
рис. 7.15), при этом в цепи появляется ток (явлениефотопроводимости). Переход 1 — это переход с основногоуровня в свободное состояние над барьером в зоне прово!димости; переход 2 — с основного уровня на возбужден!ный, с последующим туннелированием в состояния надбарьером (стрелка б на рис. 7.15).170НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьИзменением толщины слоев можно в широких преде#лах регулировать спектральные характеристики фотопри#емника.Для тепловизионных систем, работающих в диапазо#не 8–20 мкм, в настоящее время наряду с фотоприемни#ками на основе CdHgTe и других материалов используют#ся также детекторы ИК#излучения на основе многослой#ных гетероструктур GаAs–AlGaAs с квантовыми ямами.Тепловидение — это визуализация слабонагретых объек#тов по их собственному ИК#излучению. Для тел с темпе#ратурой, близкой к комнатной, максимум интенсивностиизлучения приходится на l = 10 мкм.
Например, челове#ка в полной темноте можно увидеть на расстоянии ~30 м вручной тепловизор. Объекты военной техники просмат#риваются на расстоянии 2–3 км. Тепловидение может бытьшироко использовано в авиации, машиностроении, строи#тельстве, микроэлектронике, медицине, геологии.Перспективность гетероструктур GаAs–AlGaAs связа#на с разработанностью методов формирования тонких сло#ев, возможностью обеспечить высокий уровень интегра#ции фотоприемных элементов и элементов обработки фо#тосигнала.В настоящее время создана технология «гибридных»фотоматриц. Отдельно изготавливаются фотоматрица изфотоприемных элементов (форматом, например, 128´128или 320´256) и матрица СБИС на основе Si, для считыва#ния и обработки сигналов, регистрируемых фотоэлемента#ми.
Затем эти матрицы стыкуются при помощи индиевыхмикроконтактов. Размеры фоточувствительных элементовсоставляют ~20–50 мкм. Такие гибридные фотоматрицы —продукт самых высоких технологий.Сверхрешетки в лазерных структурах. Кроме ИК#фото#приемников, сверхрешетки используются в лазерных струк#турах — в качестве активных областей и пассивных элемен#тов (волноводы). Принцип работы инжекционных лазеровна сверхрешетках такой же, как для ДГС#лазеров на кван#товых ямах. Ступенчатый вид графика плотности состоя#ний (см. рис. 7.6б) и узкие области локализации носите#лей, участвующих в генерации, обеспечивают низкий по#Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ171роговый ток и высокий КПД лазеров на сверхрешетках ина квантовых ямах.
Если в гетеролазерах на сверхрешет$ках наращивать слои с различной концентрацией компо$нентов, можно получить генерацию излучения одновре$менно на нескольких длинах волн l. Разработан лазер начетырех активных слоях с четырьмя различными l.Сверхрешетки и квантовые ямы имеют более крутойспад края оптического поглощения, чем исходные полу$проводники и классические ДГС$структуры. Это уменьша$ет поглощение генерируемого излучения как в активной,так и в волноводной областях.
В лазерах на квантовых ямахсверхрешетки используются в качестве волноводов. Ониобеспечивают профиль показателя преломления, позволяю$щий получать оптимальный волноводный эффект. С каж$дой из двух сторон активной области располагаются сверх$решетки, содержащие ~200 периодов.
Всего в лазере мо$жет быть до 1000 слоев.Особый интерес представляют лазеры на сверхрешет$ках и на системах квантовых ям, излучающие в среднемИК$диапазоне (l = 2–12 мкм). В диапазоне 2–5 мкм лежатполосы поглощения многих вредных промышленных га$зов, и с помощью ИК$лазеров этого диапазона можно осу$ществлять контроль выбросов в атмосферу. В спектре по$глощения самой атмосферы имеются «окна прозрачно$сти». Для тепловидения наиболее важны окна 3–5 мкм и8–12 мкм. Излучение тел с температурой 300 К лежит вдиапазоне 8–12 мкм. Длины волн излучения современныхИК$лазеров попадают в окна прозрачности. Эти лазерымогут найти широкое применение в телекоммуникации илокации.Создание ИК$лазеров с излучением в нужном диапазо$не волн во многом стало возможным благодаря методамзонной инженерии, лежащей в основе получения материа$лов и наноструктур с заданными значениями ширины(DEg) и эффективной ширины (1Egэф ) запрещенной зоны,расстояний между мини$зонами или размерными подзо$нами.
Как уже говорилось выше, эти величины можнорегулировать подбором состава полупроводниковых со$единений, концентрации компонентов состава, ширины172НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьи высоты потенциальных ям и барьеров в наногетеро#структурах. Длины волн оптического излучения опреде#ляются перечисленными величинами.Квантовые каскадные лазеры. Один из наиболее яр#ких примеров достижений зонной инженерии — кванто#вые каскадные лазеры на сверхрешетках, работающие напереходах между подзонами одной и той же зоны прово#димости. Излучения различных каскадных лазеров лежатв диапазоне l = 2,5–13 мкм, т. е.
перекрывают окна про#зрачности атмосферы. Различные лазеры работают притемпературах от криогенных до комнатных, как в им#пульсном, так и в непрерывном режимах.На рис. 7.16 дана энергетическая диаграмма зоны про#водимости, поясняющая принцип работы квантового кас#кадного лазера (один из вариантов каскадных лазеров).В рассматриваемом примере активные области состоятиз трех туннельно связанных квантовых ям (InGaAs), раз#деленных тонкими AlInAs#барьерами.
Инжекторы пред#ставляют собой сверхрешетки из тех же материалов. Ак#тивные области и инжекторы чередуются, образуя каскадиз нескольких десятков ступеней (обычно в каскад входят25–30 ступеней). В квантовых ямах активных областей уро#вень 2 (квантовое число n = 2) и уровень 3 (n = 3) — первыйРис. 7.16Схема, поясняющая работу квантового каскадного лазераЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ173и второй возбужденные уровни, уровень 1 (n = 1) — основной.
Уровни уширены вследствие наличия электрического поля E (величина Е достигает 105 В/см). Это поле создает также наклон энергетического профиля зоны проводимости (ее нижняя граница представлена на рис. 7.16).Лазерное излучение испускается в активных областяхпри переходах 3 ® 2 (вертикальная стрелка на рис. 7.16),для чего необходима инверсная населенность уровня 3. Инверсия населенности соответствует большему числу электронов на уровне 3, чем на уровне 2. Для этого толщины слоев выбирают так, чтобы: 1) переход 2 ® 1 был быстрым ибезызлучательным, то есть время жизни электронов на уровне 2 было малым, и он быстро опустошался; 2) с уровня 3наиболее вероятным был излучательный переход на уровень 2, и время жизни электрона на уровне 3 было бы многобольше, чем на уровне 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
