Исследование квантово-размерных структур

Гетеропереход GaAs-AlxGa1-xAs наиболее часто используют для изготовления квантово-размерных структур. Эти материалы обладают хорошим согласием решеток при любом составе твердого раствора и потому позволяют создавать гетеропереходы с различными разрывами зон на границе. Среди полупроводников класса A₃B₅ есть еще несколько идеальных гетеропар, например InP-In0.53Ga0.47As, но они обладают согласием решеток лишь при одном фиксированном составе и потому не позволяют варьировать ДЕ_С и ДЕ_V. Другие классы полупроводников реже используются для изготовления квантовых гетероструктур. Одно из главных требований к технологии изготовления квантовых гетероструктур связано с необходимостью получения очень резких гетеропереходов с переходным слоем промежуточного состава, имеющим толщину всего в несколько постоянных решетки. Как видно из рис. 37, для плавного перехода образуется потенциальная яма большой ширины, что уменьшает расстояние между уровнями Еn и затрудняет наблюдение квантовых размерных эффектов.

Рисунок 37. Потенциальный профиль края зоны проводимости для резкого (а) и плавного (б) гетеропереходов

Другим важным требованием к технологии является возможность получения сложных профилей состава и легирования. При изготовлении сверхрешеток необходимо строго периодически менять состав растущего слоя, причем период изменения может составлять лишь несколько десятков ангстрем. При выращивании д-слоев и структур с модулированным легированием необходимо со столь же высокой точностью менять концентрацию легирующих примесей.

Далеко не всякая эпитаксиальная технология удовлетворяет приведенным требованиям. Плохо пригодными, в частности, оказываются наиболее распространенные методики газотранспортной и жидкостной эпитаксии. Получение сложного профиля состава и легирования наталкивается на ряд технических трудностей, а сравнительно высокая температура роста вызывает диффузионное размывание гетерограницы, не позволяя получать очень резкие границы.

В настоящее время наиболее часто для изготовления качественных гетероструктур применяют метод молекулярно лучевой эпитаксии. Другим возможным способом изготовления гетероструктур является газовая эпитаксия из металлоорганических соединений. Она не требует столь сложного и дорогого оборудования, обладает меньшими возможностями контроля и управления, но, тем не менее, позволяет растить гетеропереходы требуемой резкости и структуры достаточно сложного профиля, включая сверхрешетки, квантовые нити и точки.

Получение одно- и нульмерных структур возможно путем выделения их с помощью литографии. Однако это требует применения особых методов литографии - нанолитографии, поскольку столь малые структуры трудно приготовить при помощи стандартных методов.

Значительные успехи были достигнуты в изготовлении квантовых точек и квантовых нитей с использованием эффектов самоорганизации упорядоченных наноструктур на полупроводниковых подложках. Этот метод предъявляет специфические требования к материалам гетеропары [1,3,8].

Заключение

В настоящей работе проанализированы особенности создания длинноволновых ВИЛ на подложках GaAs и проведено сравнительное исследование характеристик приборов с активными областями на основе КТ InAs/InGaAs и КЯ InGaAsN. Анализ показывает, что уровень электрических и внутренних оптических потерь для структур второго типа значительно выше, что связано с неоптимальной конструкцией вертикального полупроводникового микрорезонатора. Тем не менее, благодаря высокому оптическому усилению активной области, ВИЛ на основе КЯ InGaAsN имеют рекордную выходную мощность для всех ВИЛ на подложках арсенида галлия (> 1 мВт в непрерывном режиме). Оптимизация конструкции должна существенно улучшить их характеристики. Что касается ВИЛ на основе КТ, для них целесообразно использовать микрорезонаторы с РБО AlxOy/GaAs, которые обеспечивают минимальный уровень внутренних оптических потерь (0.04-0.05% на один проход фотона), низкие пороговые токи (<2 мА) и высокую дифференциальную эффективность (? 40%). Представляется, что ВИЛ на основе КТ будут иметь преимущества при создании приборов с малыми (менее 1?2 мкм) размерами излучающей области из-за подавления латеральной диффузии носителей.

Обобщая результаты исследования и сравнения ВИЛ на основе КТ InAs/InGaAs и КЯ InGaAsN можно сделать следующие выводы:

— высокий уровень оптического усиления, достигаемый в структурах на основе КЯ InGaAsN, позволяет реализовать ВИЛ на основе полупроводниковых микрорезонаторов с относительно высокими внутренними потерями;

— для реализации ВИЛ на основе массивов КТ целесообразно использовать резонаторы с AlxOy-зеркалами, которые по своим оптическим характеристикам, как правило, существенно превосходят резонаторы с полупроводниковыми зеркалами.

Список использованных источников

1 Гуртов В.А. Оптоэлектроника и волоконная оптика: Учебное пособие. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2005.

2 Никоноров Н.В. Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна: Учебное пособие/ Н.В. Никоноров, А.И. Сидоров. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009.

3 Скляров О.К. Современные ВОСП. Аппаратура и элементы. - М.; Солон, 2001.

4 Леденцов H.H. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры / H.H. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин и др. ФТП. 1998. - Т.32. - №4.

5 Пчеляков О.П. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства / О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, A.B. Двуреченский. ФТП. 2000. - Т. 34.

6 Двуреченский A.B. Квантовые точки в системе Ge/Si, / A.B. Двуреченский, А.И. Якимов Изв. ВУЗов. Материалы электронной техники. 1999. - №4.

7 Шик А.Я. Физика низкоразмерных систем/ А.Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков. СПб.: Наука, 2001.

8 Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005.

9 Оптика наноструктур/ Под ред. А.В. Федорова. Спб.: Недра, 2005.

10 Воробьев Л.Е. Оптические явления в полупроводниковых квантово-размерных структурах/ Л.Е. Воробьев, Л.Г. Голуб, С.Н. Данилов и др. Спб.: Изд-во СПбГТУ, 2000.

11 Гайнутдинов И.С. Свойства и методы получения интерференционных покрытий для оптического приборостроения/ И.С. Гайнутдинов, Е.А. Несмелов, А.В. Михайлов, В.П. Иванов, Г.И. Абзалова. Казань: Фэн, 2003.

12 Федоров А.В. Физика и технология гетероструктур, оптика квантовых наноструктур: Учебное пособие. Спб.: Изд-во ИТМО, 2009.

13 Щука А.А. Наноэлектроника. М.:Физматкнига, 2007.

14. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Радио и связь, 1989.

15 Ильин В.И. Варизонные полупроводники и гетероструктуры. В.И. Ильин, С.Ф. Мусихин, А.Я. Шик. Спб.: Наука, 2000.

16 Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников, В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Спб.: Изд-во ИТМО, 2000.

17 Кардон М. Основы физики полупроводников / Пер. с англ. И.И. Решиной. Под ред. Б.П. Захарчени. 3-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

18 Милнс А. Гетеропереходы металл - полупроводник / А. Милнс, Д. Фойхт; пер. с англ. Л.В. Шаронова. M.: Мир, 1975.

19 Шарма Б.Л. Полупроводниковые гетеропереходы/ Б.Л. Шарма, P. К. Пурохит; пер. с англ. Ж.И. Алферов, С.А. Гуревич. М.: Mир, 1979.

Размещено на Allbest.ru