Диссертация (1090147), страница 23
Текст из файла (страница 23)
В изотопических сверхрешетках практически отсутствует разницамеждупостояннымикристаллическихрешеток,а«легирование»осуществляется собственными изотопами. Поэтому качество проектированияновых материалов должна быть высокой.Для оценки возможного выигрыша от применения изотопическихсверхрешеток нужно исследовать: 1) влияние механических напряжений вгетеропереходах на распределение энергетических уровней; 2) влияниеточности изготовления (отклонения ширины слоя СВР от номинальногозначения) сверхрешеток на распределение энергетических уровней; 3)влияние флуктуаций ширины ямы и барьера на время «жизни» экситонов.Такие исследования необходимы для расчета зависимостей энергийквантования носителей заряда от ширины ямы (барьера). С помощью такойфункцииможнооценитьтакжевлияниемеханическихнапряженийкристаллических решеток и качества изготовления геометрических размеровквантовых структур.Длямоделированияоптоэлектронныхустройствсзаданнымипараметрами на изотопических сверхрешетках (например, оценки шириныизлучения лазера) необходимо иметь методику расчета энергии связиэкситона Есв в зависимости от характеристик квантовых структур (сочетанияизотопов химического элемента, ширины ямы а , разницы между величинамизапрещенных зон ∆Е , зависимостей величин потенциальных барьеров ямыдля электрона Vэ и дыркиVд от величины ∆Е ).
Такая методика позволитаналитическим путем находить характеристики ямы, которые могли быобеспечить максимально возможную величину Есв .Так, на основании157работы [104] можно предложить следующий алгоритм нахождения энергиисвязи экситона:1)определение разницы в величинах запрещенных зон Ес междуслоями в «гетеропереходах», образующих квантовую яму, а именно:∆Е = Е с1 − Е с2 ;2)значениявычисление высоты барьера для электрона Vэ и дырки Vд (ихзависят от конкретных материалов, например, для сочетанияGaAs − AlGaAs Vэ =0,85 ∆Е , Vд =0,15 ∆Е );3)подстановка вычисленных значений в известное уравнениеШредингера применительно к потенциальной яме ограниченной высоты длярасчета волновых функций электрона ψ э (x) и дырки ψ д (x) ;4)после решения численным методом уравнений для волновыхфункций ψ э (x) и ψ д (x) расчет значений энергий квантования низшего уровнядля электрона E э и дырки Eд ;5)нахождение энергии связи как разности между энергиейэлектрон-дырочнойE св = + Е э + Е д ) − Е экспары(энергияиэнергиейэкситонаэкситонаопределяетсяЕ экс ,черезаименно:постояннуюРидберга для конкретного материала [10]);6)построение зависимости Е св = f (a) ;7)определение величины a , соответствующей максимальномузначению функции, т.е.
max Eсв .Зависимости E св = f (a) для сочетания GaAs − AlGaAs ( рис. 5.1) имеютявный нелинейный характер с максимумом в области 3нм. При дальнейшемуменьшениишириныямыэнергиятуннелирования носителей заряда.Е свпадаетзасчетэффектаВыбор конкретного материала дляквантовой структуры зависит от требуемых характеристик экситона.
В этомслучае предпочтение следует отдавать прямозонным полупроводниковымструктурам на базе изотопических сверхрешеток.1585.3 Повышение технического уровня и качества фотоприемников сприменением модифицированных наноструктурЭффективность фотоприемников влияет на скорость передачи информацииипропускнуюспособностьВОСП.Дляповышенияэффективностифотоприемника необходимо увеличивать квантовую эффективность η ,чувствительность R и снижать тепловой (темновой) ток I ш . Изотопическиесверхрешетки (ИСВР) могут значительно улучшить работу фотоприемника(ФП). Это обусловлено двумя факторами. Первый фактор связан суменьшением рассеяния света на изотопах визотопически однородныхсверхрешетках, состоящих из чередования слоев, например,такихсверхрешеткахнеоднородностяхпроисходит(болеетяжелыхуменьшениеизотопахи28потерьдругихSi и29Si .
Всветанадефектах).Вматериалах, очищенных от тяжелых изотопов и других посторонних атомовповышается способность поглощения фотонов и возбуждения электронов[10]. Увеличивается отношение числа возбужденных электронов (первичныхпарэлектрон-дырка)кчислупадающихфотоновнаматериалфотоприемника, имеющих энергию, равную ширине запрещенной зоны. Этосказывается на повышении квантовой эффективности фотоприемника η ,которая связана с фундаментальными свойствами полупроводниковогоматериала трансформировать поглощение фотона в электрон-дырочнуюпару.Отсюда,улучшаетсячувствительностьфотодетектораЧувствительность можно определить по следующей формуле [86,111]:R = η g q / 2ω ,где g = τ / t - коэффициент усиления;τ - время жизни носителей заряда;R.159t - время движения носителя заряда через фотоприемник (прямопропорциональноквадратудлиныФПиобратнопропорциональноподвижности носителей заряда и напряженности электрического поля);q - заряд электрона; - постоянная Планка;ω - круговая частота света.В значительной степени чувствительность ФП на изотопическихсверхрешетках повышается за счет увеличения коэффициента усиления g .Это происходит за счет повышения времени жизни носителей заряда в ИСВРи уменьшения времени транзита t через ФП.
Известно, что подвижностьносителей заряда в изотопически чистых материалах повышается в два раза[52]. Следовательно, время t в ИСВР должно снизиться в два раза. Какпоказано в параграфе 5.2., , очистка естественного кремния от более тяжелыхизотопов может повысить время τ в два раза. Отсюда, коэффициентусиления и чувствительность могут увеличиться в четыре раза.Вторым фактором повышения эффективности ФП на ИСВР являетсяснижениетепловоготоказасчетизмененияэлектрон-фононноговзаимодействия в изотопически однородном материале ИСВР. Тепловой токобразуется за счет электронов, находящихся в подзонах запрещенной зоныполупроводника, при взаимодействии с фононами (тепловыми волнами,образующимися в результате колебаний кристаллической решетки) [86,111].Несмотря на то, что энергия фонона на три порядка меньше энергии фотона,вклад фононов в тепловой ток довольно значителен.
В свою очередь,электроны в подзонах образуются за счет дефектов кристаллическойрешетки, количество которых в ИСВР минимально.Таким образом, изотопические сверхрешетки будут генерироватьменьше теплового тока I ш ( нА ) по сравнению со сверхрешетками из разныхполупроводниковых материалов. Уменьшение теплового тока (шума) иувеличение чувствительности R ( мкА / мкВт) , пропорциональное квантовой160эффективности и коэффициенту усиления, повысят динамический диапазонD , который равен (без учета числа разрядов n ):D = оg 2Pc,Pшгде Pш , Pc - соответственно мощности шума ( Рш =Iш) и сигнала [56].RЕсли учесть только увеличение скорости движения носителей заряда ивремени жизни τ в ФП на ИСВР по сравнению с ФП на сверхрешетках изразных полупроводников,то мощность шума Pш в выражении длядинамического диапазона может уменьшиться в четыре раза за счетувеличенияR.Динамическийследующим образом: D = og 2диапазонсоответственноизменится4 Pc.PшУвеличение чувствительности фотоприемника идинамическогодиапазона ВОСП улучшат качество приема, повысят длину усилительногоучастка.5.4 Повышение технического уровня и качества оптическихмодуляторов с применением модифицированных наноструктурОптические модуляторы – важнейшая часть передающей аппаратурыВОСП.
Они определяют канальную скорость и пропускную способностьсистемы передачи информации, является самым «узким местом» внаращивании скорости передачи сигналов [12,13,54,103-107].Как отмечалось выше, канальная скорость ВОСП ограничиваетсямаксимальнойскоростьюмодуляцииоптическойнесущей.Поэтомусовершенствование элементной базы оптических модуляторов – одна изглавных задач для повышения пропускной способности ВОСП. Решениемэтой задачи является создание нового материала на базе сверхрешеток(ИСВР) и организация производства ИСВР.161Оптическиемодуляторынепосредственноймодуляциинасверхрешеткахсветовогоиспользуютсяизлучения.Вэтомдляслучаеэлектрооптические эффекты проявляются значительно сильнее, чем вобычныхполупроводниковыхнаиболеераспространенныхматериалах(ниобатмодуляторахлития),Маха-Цендеранапример,(МЦМ),работающих со скоростью модуляции 40ГГц.В основе работы оптических модуляторов на сверхрешетках илимножественных квантовых ямах (МКЯ) лежат два физических явления:поглощение и преломление света.
Они связаны с тем, что при наложениивнешнего электрического поля наблюдаются значительные оптическиеизменения спектра поглощения. Отсюда, все модуляторы на множественныхквантовыхямахделятсянамодуляторысэлектропоглощениемимодуляторы с изменением коэффициента преломления. Оба модулятораработают с использованиемквантово-размерного эффекта Штарка [10].Этот эффект обусловлен усилением взаимодействия между квантовымиямами в условиях внешнего электрического поля и проявляется в виде сдвигаэнергетических уровней носителей заряда.Модуляторы описанного типа могут работать с очень большойскоростью. При высоких приложенных напряжениях частота модуляцииможет достигать 100 ГГц [10].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
