Диссертация (1090147), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Так,для полупроводникового лазера на арсениде галлия продолжительностьвремени жизни экситона определяется только для времени τ 2 = 4нс [98], чтовлечет за собой соответствующие изменения в формулах (5.4), (5.5).Наряду с естественным уширением, существуют и другие причиныуширения, связанные с неоднородными процессами (эффектом Штарка,доплеровским эффектом). Какой именно фактор является решающим вуширениилиний,полупроводниковыхзависитотлазеровтипалазерауширение(материала).объясняетсяТак,дляструктуройэнергетических зон (распределение энергий электронов и дырок), котороеможно оценить по формулам (5.4) и (5.5) [98].
На структуру энергетическихзон полупроводников оказывают влияние оптоэлектронные характеристики151вещества, геометрические размеры, качество изготовления элементной базы.Наибольшим коэффициентом усиления обладают лазеры на низкоразмерныхструктурах(квантовыхямах,проволокахиточках)(рис.3.3)[10],эффективность которых во многом зависит от исходных материалов иразрешающей способности нанотехнологии.В качестве возможных причин нестабильности величины оптическойнесущей и уширения полосы можно назвать механические напряжения вгетеропереходахнаноструктур,которыевозникаютиз-заразностипостоянных кристаллической решетки используемых полупроводников. Этинапряжениямогутрастягиватьилисжиматьэпитаксиальныеслоиполупроводника, а следовательно, изменять, например, ширину ям ибарьеров между ямами (рис.1.7). Эти изменения могут достигать десятыхдолей нанометра и сказываться на флуктуациях ширины энергетических зонполупроводника.
Возникновение первого фактора dfможет быть связанотакже с неоднородностью уширения полосы в сторону увеличения длиныволны (уменьшения центральной частоты настройки). Основной причинойэтого эффекта является рассеяние света на разных изотопах исходныхполупроводниковых материаловполупроводниковыйлазер.сверхрешетки, на которой строитсяДляизотопическичистыхматериалов(функциональных структур), например, состоящих из чередования слоевизотопа кремния Si 28 и изотопа Si 29 , неоднородность уширения полосыизлучениялазерауменьшится,центральной частотыаследовательно,инестабильностьf н .
Для уменьшения нестабильности оптическойнесущей необходимо совершенствовать наноструктуры и создавать новыеболее чистые материалы, например, состоящие из одного типа изотопов.Главной причиной флуктуаций ширины полосы ∆f одной линии вспектре излучения лазера может быть однородное уширение, которое связанос тепловыми колебаниями кристаллической решетки.Следовательно,снижение рабочей температуры лазера на сверхрешетке уменьшит уширение152∆f . Значения флуктуаций оптической несущей∆f можноdfи ширины полосыоценить с помощью математического моделирования илиэкспериментальных исследований для конкретных полупроводниковыхматериалов.
На величину∆fнепосредственно влияет время жизниэкситона, определяющее значения времен τ 1 , τ 2 (5.4), которое зависит отэнергии связи экситона. На рис. 5.1.[10] представлены кривые зависимостиэнергии связи экситона от ширины квантовой ямы. Вид этих кривых дляарсенида галлия показывает, что в зависимости от качества изготовлениянаноструктуры ширина ямы может меняться в широких пределах, чтосказывается на величине энергии связи экситона, определяющей время«жизни» электрона в возбужденном состоянии.
Кроме того, на величинуэнергии связи влияют материалы, из которых сделана квантовая структура.Так, в изотопических сверхрешетках будут отсутствовать напряжения в«гетеропереходах»исоответственноизменениявширинеслоевсверхрешетки, которые влияют на флуктуации величины энергетическихщелей. Кроме того, как будет показано ниже, уменьшается число дефектовкристаллической решетки, что повышает энергия связи и время жизниэкситонов.Таким образом, влияние лазеров на эффективность ВОСП (например,частотный разнос между каналами) проявляется в виде двух факторов:нестабильности оптической несущей и флуктуаций ширины излучениялазера.Исходя из формулызначенияτ 1, 2 ,тем(5.2), можно сделать вывод, что чем большеменьшешириналинии∆f .Максимальнаяпродолжительность «жизни» экситона (связанное состояние электрона идырки в запрещенной зоне полупроводника), напрямую зависит отмаксимума энергии связи Есв [10].
Максимум энергии связи наступает приусловии обеспечения определенной ширины квантовой ямы (рис. 5.1),153значение которой зависит от типа полупроводника. Исходя из рис.5.1, можноприближенно оценить влияние ширины ямы на время жизни экситона.Так, незначительные отклонения от оптимальной ширины, которая дляарсенида галлия составляет 3нм , приводит к резкому изменению энергиисвязи.Рисунок 5.1.
Зависимость энергии связи от ширины ямы для арсенида галлия[10]Характерэтихзависимостей,например,дляарсенидагаллияпоказывает, что при использовании «грубых» технологий изготовлениядиапазон изменений ширины ямы может меняться в относительно широкихпределах (рис.5.1), а величина энергии связи экситона – в два раза. Отсюда,точность изготовления (положительные отклонения от номинальногозначения ширины ямы) квантовых структур должна быть менее 1нм .Использование нанотехнологий, например, изотопической нанотехнологиина основе метода НТЛ, позволит энергии связи экситона достичьмаксимальной величины, а следовательно, и времени жизни экситона.154В изотопически чистых материалах не будет «ловушек» для экситонов(дефектовкристаллическойрешеткиввиделегирующихатомов,посторонних примесей, тяжелых изотопов, а также экранирующего действиясвободных электронов).
Это означает, что использование нанотехнологий наоснове НТЛ и очистка кремния от тяжелых изотопов позволит увеличить τ 1 ,τ 2 , и следовательно, уменьшить полосу излучения одной линии лазера. Этообъясняется тем, что при движении экситонов в кристаллической решетке сдефектами происходит потеря когерентности, возникающая при неупругомстолкновении с дефектами.
Отсюда, имеет место потеря энергии экситонов иуменьшение времени «жизни». Так как у изотопических сверхрешетокгораздо меньше дефектов, то и время «жизни» экситонов гораздо дольше.Необходимо дать количественную оценку, во сколько раз может повыситьсявремя τ . .Известно, что очистка естественного кремния от более тяжелыхизотоповпозволилавсвоевремякомпаниямпопроизводствумикропроцессоров на изотопе Si 28 повысить их быстродействие вдвое (до3ГГц) [12,13,52] за счет уменьшения числа каналов рассеяния электронов надефектах кристаллической решетки.
Повышение быстродействия связано сувеличением скорости носителей заряда и уменьшением эффективной массыµ [85]:µ=me ⋅ m h,me + m hгде me , mh -эффективные массы соответственно электрона и дырки.Эффективная масса непосредственно влияет на энергию экситона Eэкс ,которая равна [10]:Eэкс =µ13,6 эВ,m0ε r2 n 2где m0 - масса электрона в вакууме (0,510998928 МэВ);ε r - диэлектрическая проницаемость;n = 1,2,3,... - номер уровня квантования.155Уменьшениеµдляизотопическичистыхквантовыхямвсверхрешетках приводит к уменьшению энергии экситона (диэлектрическаяпроницаемость меняется незначительно по сравнению с µ ).
Это отражаетсяна величине энергии связи Eсв , а именно:E св = ( E e ( Е h ) - E экс ,где Ee , E h - соответственно низшие уровни квантования электрона идырки для квантовой ямы сверхрешетки.Если учесть, что E экс много больше, чем Eсв , то при неизменныхзначениях Ee , E h в случае изотопической сверхрешетки даже небольшиеколебания энергии экситона приведут к более значительным изменениямэнергии связи. Учитывая возможный диапазон этих изменений (рис. 5.1),можно сделать вывод: повышение скорости и подвижности носителей зарядав два раза может вызвать такие же изменения энергии связи и времени жизниэкситонов. Отсюда, произойдет сужение ширины полосы излучения однойлинии лазера соответственно также в два раз.Это приведет к уменьшению дисперсионных искажений в оптическомволокне и увеличению длины регенерационного участка ВОСП.
Кроме того,расстояние между несущими оптических сигналов f 1 может быть сокращено,что позволит увеличить спектральную эффективность, число волновыхканалов N , а следовательно, и пропускную способность ВОСП (2.15), (5.1).Таким образом, использование изотопических сверхрешеток за счетприменения ядерной нанотехнологии для изменения изотопического составаможет значительно увеличить пропускную способность ВОСП по сравнениюс самыми совершенными в настоящее время лазерами на квантовыхструктурах [10].Как уже отмечалось выше, изотопические сверхрешетки создаютсясочетанием слоев из разных изотопов одного и того же вещества, в отличиеот других сверхрешеток, в которых чередуются разные полупроводниковыематериалы.
Разница в кристаллических решетках влияет на распределение156энергетических зон [10]. Это сказываетсяна качестве проектированиянового материала с заданными параметрами, что важно для создания лазеровс узкой и симметричной шириной спектра излучения. Кроме того,легирование полупроводника другим химическим элементом увеличиваетколичество дефектов, которые влияют на характеристики оптоэлектронныхприборов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
