Диссертация (1149847), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Указанный факт интересен прежде всего тем, что стохастическийрезонанс здесь наблюдается в отсутствии внешнего периодического сигнала.Подобное поведение для систем, характеризуемых моделью ФитцХью-Нагумо,было детально исследовано в [78].В работе [79] был исследован режим возбужденных колебаний вполупроводниковом лазере на квантовых точках. Рассматриваемые колебаниябыли экспериментально обнаружены на границе области синхронизации синжектируемым сигналом.
Теоретическое изучение уравнений, характеризующихданнуюдинамическуюсистему,показало,чтопричинойнаблюдаемыхвозбужденных колебаний является гомоклиническая бифуркация типа седло-узел.Особо стоит отметить использование режима возбужденных колебаний вперспективных вычислительных системах (аппаратных нейронных сетях) длярешения задач распознавания и классификации [80] и непосредственноеиспользование в указанных системах полупроводниковых лазеров с инжекцией иобратной связью, обеспечивающей необходимую задержку [81]. Основнымпреимуществомздесьявляетсяупрощениевычислительнойархитектурыаппаратной нейронной сети [80], заключающееся в том, что совокупностьвычисляющих узлов сети заменяется одним нелинейным узлом с обратнойсвязью. Наличие обратной связи и вызванной ей задержки позволяет имитироватьналичие множества вычислительных узлов.
В будущем, имеются все предпосылкик созданию нейроморфных устройств, основанных на фотонных элементах иобеспечивающих полностью оптическую обработку информации.311.3.4 Квантовые точкиКвантовые точки являются объектом интенсивных исследований. В даннойработе, под квантовой точкой понимается кристалл полупроводника, в которомдвижение носителей заряда ограничено некоторой замкнутой трехмернойобластью. Линейные размеры указанной области составляют величины порядкаединиц нанометров и соизмеримы с длиной волны де Бройля для электронов всплошном полупроводнике.
Последняя также имеет величину порядка единицнанометров. В силу данного факта квантовые точки обладают дискретнымэнергетическим спектром, что делает их в некотором роде похожими науединенные атомы. Термодинамические и кинетические свойства квантовыхточек сильно отличаются от свойств обычных сплошных полупроводниковыхматериалов.Технически, квантовые точки представляют собой включения материалаодного полупроводника в объем другого или напыление на полупроводниковуюподложку материала, состоящего из другого полупроводника. При этомполупроводниковый материал квантовой точки должен обладать меньшейшириной запрещенной зоны, чем ширина запрещенной зоны материала матрицыили подложки. Различная ширина запрещенных зон приводит к возникновениюпотенциального барьера и, как следствие, к локализации носителей заряда вквантовой точке.Геометрически, квантовые точки могут представлять собой различныесферические, пирамидальные или каплевидные структуры.
Конкретная формаквантовых точек определятся способом их получения. Объёмное изображениеквантовой точки, состоящей атомов германия на кремниевой подложке приведенона рисунке 8 [82].Несмотря на то, что первые теоретические исследования, связанные сквантовыми точками, появились в начале 80-х годов, практическая реализацияподобных структур оставалась невозможной до начала 90-х годов, когда были32разработаны первые коммерчески успешные технологии выращивания квантовыхточек.Существует два наиболее распространённых метода получения квантовыхточек.
Первый из них – коллоидный, заключается в синтезе квантовых точек вколлоидном растворе. Второй метод – эпитаксиальный, представляет собойвыращивание квантово-размерных структур путем осаждения атомов целевогоматериала на поверхность подложки. Скорость осаждения атомов являетсяконтролируемым параметром и может быть подобрана таким образом, чтобыобеспечить нанесение полупроводникового материала слоями толщиной в одинатом.Рисунок 8 – Изображение квантовый точки. Квантовая точка, состоящая из атомовгермания на кремниевой подложке [82].На сегодняшний день наиболее успешной и популярной технологиейвыращивания квантовых точек является молекулярно-пучковая эпитаксия.Поэтому остановимся на данной технологии более подробно.На полупроводниковую подложку, находящуюся под высоким вакуумом,направляются молекулярные пучки полупроводникового материала, из которогобудут состоять квантовые точки.
Материал предварительно тем или инымспособом испаряется из находящихся над подложкой тиглей. При этом наповерхности подложки формируется кристаллическая структура и начинаетсярост эпитаксиального слоя. Температура подложки должна быть достаточной дляподдержания высокой кинетической энергии атомов эпитаксиального слоя. Это33необходимо для предотвращения возникновения на поверхности подложкиаморфных структур.
Как уже упоминалось, процесс выращивания можетвыполняться с точностью до одного атомного слоя.Дляпониманияпроцессаформированияквантовыхточекврассматриваемой технологии необходимо ввести понятие критической толщиныэпитаксиального слоя. Критической толщиной эпитаксиального слоя называетсятакое значение толщины, выше которого вследствие релаксации упругихдеформаций происходит разрушение кристаллической решётки формирующегосяна подложке слоя. При этом, если какими-либо способами стабилизировать наопределённое время надкритическую толщину эпитаксиального слоя, то вдальнейшем происходит фрагментация указанного слоя и формированиенанокристаллов, представляющих собой квантовые точки.Поверх сформированного слоя квантовых точек выращивают слойматериала, из которого состоит подложка. Далее процесс повторяется.
Такимобразом образуется многослойная полупроводниковая структура. Квантовыеточки,полученныеприпомощирассмотренногометода,называютсясамоорганизованными.Благодаря выращиванию в высоком вакууме квантовые точки, полученныеданным методом, обладают минимально возможным количеством дефектов имогут рассматриваться как идеальные. Однако необходимо отметить, чтоосновная проблема, заключающаяся в дисперсии размеров по ансамблюквантовых точек, пока не имеет решения. По современным экспериментальнымданным минимальная величина указанной дисперсии, определяющей разницу вэнергетических спектрах квантовых точек ансамбля, составляет около 10% [82].Поэтому спектр излучения системы квантовых точек будет значительно уширенпо сравнению с ожидаемой шириной спектра уединенной квантовой точки.Данныйфакт,обуславливаетпостоянноведущиесяинтенсивныеисследования направленные на совершенствование действующих и разработкуновых технологий выращивания квантовых точек.341.3.5 Лазеры на квантовых точкахТеоретически, благодаря свойствам активной среды, лазеры на квантовыхточках могут сочетать в себе надёжность, эргономичность и низкую стоимостьполупроводниковых лазеров и характеристики излучения, приближенные кхарактеристикам излучения газовых лазеров.
Поэтому данные лазеры являютсяодними из наиболее востребованных в различных приложениях. Прежде всеговызывает интерес применение указанных лазеров в оптических линиях связи иразличных оптоэлектронных устройствах, а также биомедицине – в режимесинхронизации мод. Лазеры на квантовых точках могут выступать в качествеисточников однофотонных импульсов, столь востребованных в области созданиямасштабируемых оптических микросхем [83].Лазеры на квантовых точках обладают рядом преимуществ по сравнению снаиболее распространенными лазерами на двойных гетероструктурах илилазерами на квантовых ямах.
К числу указанных преимуществ прежде всегонеобходимо отнести высокие коэффициенты усиления, низкие пороговые токинакачки, высокую стабильность работы, узкие спектральные линии, широкийдиапазон перестройки длины волны излучения и низкую чувствительность ктемпературе [84, 85].Основнымфактором,определяющимуказанныеособенностирассматриваемых лазеров, является дискретный энергетический спектр квантовыхточек. Далее в данном разделе будет приведен краткий обзор ключевых этаповразвития лазеров на квантовых точках, а также приложений, в которыхиспользование указанных лазеров является наиболее перспективным.Впервые генерация в лазере на основе гетероструктуры с квантовымиточками была продемонстрирована в 1994 г.
[86]. Однако использовать квантовыеточки в качестве активной среды полупроводникового лазера было предложеноеще в 1982 г. [87]. В данной работе было показано, что использование квантовыхточек позволяет значительно снизить пороговые значения токов накачки.35Действительно, температурная зависимость величины порогового токанакачкивклассическихполупроводниковыхлазерахопределяетсяраспределением носителей по температуре в широком диапазоне энергетическихсостояний, что ведет к снижению максимально возможного усиления. В лазерахна квантовых точках в силу дискретности энергетического спектра последнихуказанная температурная зависимость практически отсутствует.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
