Диссертация (1149550), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Первый лазер на МКЯ был создан в 1974 г. и продемонстрирован в1975 г. В данных типах лазеров использована идея генерации излученияпутем рекомбинации электронов из зоны проводимости и дырок извалентной зоны. Качественно новая идея, предложенная Р. Ф. Казариновым иР. А. Сурисом в 1971 г.[4] и реализованная на практике в 1994 г. [3], состоялав генерации излучения за счет межподзонных электронных переходов стоковой накачкой, что привело к созданию квантово-каскадных лазеров (ККЛ).Первые К-КЛ могли работать лишь при низких температурах, и вдиапазоне единиц микрометров (мкм). Поворотным моментом историиразвития этого направления стало появление в 2001 г. К-КЛ, работающего втерагерцевом (ТГц) диапазоне 1.2-4.9 ТГц (что соответствует длинам волн60-250 мкм) [5] при температурах Т<180 К.В настоящее время в конструкции К-КЛ используются гетероструктурына базе соединений А3B5 и их твердые растворы, такие как, например,GaAs/AlхGa1-xAs, AlxIn1-xAs/GazIn1-zAs, InAs/AlSb, InxGa1-xAs/InyGa1-yP, InxGa1-15xAs/AlAs[6], что позволяет покрыть диапазон от 2 до 300 мкм [7].
К-КЛ свозможностью перестройки частоты, способные работать при комнатныхтемпературах, рассматриваются как весьма перспективные устройства сточки зрения их использования в окнах прозрачности для атмосферы 3-5 и 813 мкм [5, 8] в самых разных областях: телекоммуникационных [6], военных,медицинскихобластях[8],атакжевовсевозможныхсистемах,контролирующих концентрацию газов.При последовательном увеличении числа слоев МКЯ превращается вСР.
Особенностью СР является искусственно созданная периодичность вдольодного из направлений [9]. Характерный период СР существенно превышаетпериод кристаллической решетки, что приводит к качественно новымсвойствам носителей заряда и фононов по сравнению с объемнымиматериалами.Этисвойства СРиспользуютприразработкеновыхоптоэлектронных устройств. Первоначальной мотивацией к созданиюполупроводниковыхСРпослужилопредсказаниеотрицательногодифференциального сопротивления [10].
Идея искусственного созданнияпространственно-периодическихполей,которыемогутвлиятьнаэлектронный спектр кристалла, была впервые высказана В.Л. Келдышем в1962 г. В качестве такого периодического потенциала выступала стоячаяультразвуковая волна [11]. Другим подходом к созданию СР являетсямодуляция за счет легирования и композиционная модуляция. Идея созданияСР с модуляцией состава была впервые предложена Лео Есаки и РафаэлемТсу в 1969-1970 гг. [12].
Изучение таких структур показало, что в нихприсутствуют новые свойства, отсутствующие в объемных полупроводниках,вследствие эффектов размерного квантования, как для носителей заряда, таки для фононов.Развитие технологий роста, прежде всего МПЭ, позволило создаватьгетероструктуры с различным составом и толщинами слоев. Их полнаяклассификация может быть найдена в [10].
Согласно этой схеме СР можноразделить на две большие группы: монокристаллические и аморфные. В свою16очередь кристаллические СР делятся на композиционные (с модуляциейсостава), легированные и легированные композиционные СР. В даннойработе исследуются композиционные СР. В зависимости от строенияэлектронных зон относительно уровня вакуума, выращиваемые СР можноразделить на три большие группы:1) СР первоготипа(скачок разрывов валентнойзоныизоныпроводимости при переходе через гетероинтерфейс имеет разныезнаки.
В качестве примеров можно привести СР GaAs/AlxGa1-xAs,GaN/AlN и т.д. В таких структурах узкозонный слой оказываетсязажатым между широкозонной компонентой. Вследствие такогорасположения зон носители заряда - электроны и дырки, оказываютсялокализованными в одном слое, а широкозонная компонента выступаетв качестве потенциального барьера, препятствующего их движению внаправлении модуляции,2) СР второготипа (скачок разрывов валентнойзоныизоныпроводимости при переходе через гетероинтерфейс имеет одинаковыезнаки. В качестве примера можно привести СР InAs/In1-xAsxSb иInAs/In1-xGaxSb и т.д.; в таких структурах минимальные энергии дляносителей заряда оказываются в разных слоях; при этом носителизаряда оказываются пространственно разделенными).3) СР третьего типа (к данной группе можно отнести структуры,состоящие из более чем трех типов слоев, либо имеющие болеесложное строение валентной зоны и зоны проводимости вдольнаправления модуляции).Исследование свойств в таких структурах из-за наличия периодическоймодуляции привело к открытию качественно новых явлений для носителейзаряда и для фононов, которые отсутствуют в объемных веществах ипоявляются лишь в искусственно созданных наноструктурах.Идея использования МКЯ и СР для детектирования ИК излучения былапредложена в 1977 г.
в работах [13, 14]. Принцип работы ИК-детекторов на17квантовых ямах (ИКДКЯ, англоязычный эквивалент Quantum Well Infra-redPhotodetector - QWIP), основан на переходах внутри уровней зоны, переходахуровень-континуум, переходах уровень-квазиуровень (уровень на границе сконтинуумом) и уровень – минизона в СР [15, 16]. В устройствах на ИКДКЯ(QWIP) под действием света происходит изменение фотопроводимости,которое и измеряется.К достоинствам ИКДКЯ можно отнести следующее:1)широкийспектральныйдиапазонработыприподборесоответствующей конструкции слоев (основанной на свойствах материала(ширинах запрещенных зон, строении зон, эффективных массах и т.д.) иширинахсоответствующихслоев)исоответственнообразующихсяэнергетических уровнях в структуре,2)высокая однородность выращенных массивов гетероструктур вдетекторахиотлаженностьтехнологииростапреждевсегодлягетероструктур GaAs/Al1-xGaxAs, позволяющая выращивать достаточнокрупные однородные массивы,3)возможностьсозданиямногоцветныхдетекторов(возможностьразделения диапазонов излучения и сопоставления им цвета) [15].В качестве материалов для создания устройств ИКДКЯ рассматриваютсяполупроводники типа А3В5 и их твердые растворы.
В качестве примера, кчислу гетеросистем, перспективных для ИКДКЯ можно отнести GaAs/Al1xGaxAs,GaAs/Al1-xInxP, In1-xGaxAs/In1-yAlyAs, InxGa1-xAsyP1-y, In1-xGax,As/GaAs[16], СР типа 2 на базе напряженных InAs/In1-xAsxSb и InAs/In1-xGaxSb [15].Круг применения существующих ИКДКЯ довольно широк и включает какгражданские, так и военные задачи.
Примеры использование ИКДКЯ вгражданской сфере можно найти в работах [15, 16]. В качестве примеровможно привести следующие: использование в качестве датчиков огня (внезависимости от дыма), исследование процессов в областях вулканологии иастрономии, исследование процессов в технике (например, распределениянагревавдеталяхдвигателя),использованиедляклинических18телетермометрических исследований в медицине с высоким температурнымразрешением, использование в телекоммуникациях.
Одними из главныхнедостатков существующих детекторов на данный момент являются то, чтодостижение высокой чувствительности требует охлаждения до температур~70 К и ниже (из-за темновых токов [17]), а так же относительная сложностьв разработке и производстве, поскольку выращивание качественныходнородных массивов происходит с использованием техники МПЭ и требуетотносительно большого числа слоев.
В качестве аналогов данному типупредлагаются устройства, работающие на фотовольтаическом принципе –квантово-каскадные ИК детекторы (ККИКД) [17]. В качестве гетероструктурдля ККИКД рассматриваются системы GaAs/AlxGa1-xAs, InxGa1-xAs/InyAl1-yAs,InxGa1-xAs/AlyAs1-ySb и нитридные гетероструктуры, такие как, например,AlN/GaN, AlxIn1-xN/GaN, GaN/AlxGa1-xN [18, 19, 20].Из нитридных соединений следует особо отметить материалы GaN иAlN.Онисчитаютсянаиболееперспективнымидляустройствоптоэлектроники и в последнее время активно изучаются.
Большие ширинызапрещенных зон при комнатной температуре: 3.4 эВ для вюрцитного GaN[21] (3.2 эВ для сфалеритного [22]) и 6.1 эВ для вюрцитного AlN [23] (5.3 eVдля сфалеритного [24]) позволяют использовать эти материалы при созданииустройств, работающих в сине-зеленой и ультрафиолетовой (УФ) области[25, 26], при высоких температурах и напряжениях [27, 28]. Кроме того,предполагается, что более высокие значения энергии фононов в нитридныхгетероструктурах по сравнению с арсенидными позволяют добиться болеевысоких рабочих температур К-КЛ в связи с подавлением рассеяниятермоэлектронов на оптических фононах в верхних по энергии состоянияхлазера, что считается основным фактором деградации в К-КЛ на базеGaAs/Al1-xGaxAs [20, 29].
Как и в случае арсенидных, в нитридныхгетероструктурах исследуются межподзонные переходы с целью ихприменения в ИК-детекторах. Данное направление исследования былоосвещено в статьях [2, 19, 20, 30, 31, 32]. Результатом систематических19исследований стали разработки новых каскадных ИК детекторов, способныхработать на практически важной длине волны 1.55 мкм, в том числе и прикомнатных температурах [18, 19].Еще одним перспективным направлением, в котором задействованыслоистые структуры на базе нитридов галлияразработка брэгговских решеток [33].и алюминия являетсяИдея простейшей брэгговскойрешетки заключается в создании многослойной (или периодическойструктуры) с, как правило, двумя материалами (брэгговская пара) сразличнымипоказателямипреломления.Толщиныслоевдлятакойструктуры подбираются так, чтобы вдоль направления периодичности дляотраженного света на определенных длинах волн (стоп-зона) создавалосьявление конструктивной интерференции, которое может приводитькотражению более 90% падающего излучения из этого спектральногодиапазона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
