Как создаются квантовые структуры

Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничена в одном направлении,- это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника InSb впервые наблюдались эффекты размерного квантования. В настоящее время квантовые структуры изготавливают иначе. Познакомимся с основными приемами современной нанотехнологии, однако прежде необходимо рассмотреть структуру энергетического спектра полупроводников. Этот спектр состоит из разрешенных и запрещенных энергетических зон, которые сформированы из дискретных уровней атомов, образующих кристалл. Самая высокая энергетическая зона называется зоной проводимости. Ниже зоны проводимости расположена валентная зона, а между ними лежит запрещенная зона энергий. У одних полупроводников запрещенные зоны широкие, а у других более узкие. На рис. 9 мы видим такую границу узкозонного и широкозонного полупроводников. Для электронов, движущихся в узкозонном полупроводнике и имеющих энергию меньше Ec2, граница будет играть роль потенциального барьера. Два гетероперехода ограничивают движение электрона с двух сторон и как бы образуют потенциальную яму.

Рис. 9. Энергетические зоны на границе двух полупроводников - гетероструктуре. Ec и Eu - границы зоны проводимости и валентной зоны, Eg - ширина запрещенной зоны. Электрон с энергией меньше Ec2 может находиться только справа от границы

Квантовые ямы.

Таким способом и создают квантовые ямы, помещая тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию энергии поперечного движения. В то же время в двух других направлениях движение электронов будет свободным, поэтому можно сказать, что электронный газ в квантовой яме становится двумерным. Таким же образом можно приготовить и структуру, содержащую квантовый барьер, для чего следует поместить тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной между двумя полупроводниками с узкой запрещенной зоной.

 Рис. 10. Квантовая яма, сформированная в слое полупроводника с узкой запрещенной зоной, заключенном между двумя полупроводниками, обладающими более широкой запрещенной зоной

Для изготовления подобных структур разработано несколько совершенных технологических процессов, однако наилучшие результаты в приготовлении квантовых структур достигнуты с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Для того чтобы с помощью этого метода вырастить тонкий слой полупроводника, нужно направить поток атомов или молекул на тщательно очищенную подложку. Несколько потоков атомов, которые получаются испарением вещества из отдельных нагретых источников, одновременно летят на подложку. Чтобы избежать загрязнения, выращивание структуры производят в глубоком вакууме. Весь процесс управляется компьютером, химический состав и кристаллическая структура выращиваемого слоя контролируются в процессе роста. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной всего несколько периодов решетки.

Чрезвычайно важно, чтобы периоды кристаллических решеток двух соседних слоев, имеющих различный химический состав, были почти одинаковыми. Тогда слои будут точно следовать друг за другом и кристаллическая решетка выращенной структуры не будет содержать дефектов. С помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии можно получить очень резкую (с точностью до монослоя) границу между двумя соседними слоями, причем поверхность получается гладкой на атомном уровне. Квантовые структуры можно выращивать из различных материалов, однако наиболее удачной парой для выращивания квантовых ям являются полупроводник GaAs - арсенид галлия и твердый раствор AlxGa1-xAs, в котором часть атомов галлия замещена атомами алюминия. Величина x - это доля атомов галлия, замещенных атомами алюминия, обычно она изменяется в пределах от 0,15 до 0,35. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия составляет 1,5 эВ, а в твердом растворе AlxGa1-xAs она растет с ростом x. Так, при x = 1, то есть в соединении AlAs, ширина запрещенной зоны равна 2,2 эВ. Чтобы вырастить квантовую яму, необходимо во время роста менять химический состав атомов, летящих на растущий слой. Сначала нужно вырастить слой полупроводника с широкой запрещенной зоной, то есть AlxGa1-xAs, затем слой узкозонного материала GaAs и, наконец, снова слой AlxGa1-xAs. В ней находятся только два дискретных уровня, а волновые функции на границе ямы не обращаются в нуль. Значит, электрон можно обнаружить и за пределами ямы, в области, где полная энергия меньше потенциальной. Конечно, такого не может быть в классической физике, а в квантовой физике это возможно.

Квантовые точки. Квантовой точкой (КТ) может считаться любой кусочек полупроводника, ограниченный по всем трем пространственный координатам, размеры которого достаточно маленькие для того, чтобы проявления квантовых эффектов были существенными.

В большинстве случаев решающим фактором для создания квантовой точки является наличие трехмерной потенциальной ямы, в которой носители заряда оказываются заперты по всем трем пространственным координатам. На рис. 11 показаны квантовые точки, созданные на границе раздела арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия. В процессе роста в полупроводник AlGaAs были введены дополнительные примесные атомы. Электроны с этих атомов уходят в полупроводник GaAs, то есть в область с меньшей энергией. Но они не могут уйти слишком далеко, так как притягиваются к покинутым ими атомам примеси, получившим положительный заряд. Практически все электроны сосредоточиваются у самой гетерограницы со стороны GaAs и образуют двумерный газ. Процесс формирования квантовых точек начинается с нанесения на поверхность AlGaAs ряда масок, каждая из которых имеет форму круга. После этого производится глубокое травление, при котором удаляется весь слой AlGaAs и частично слой GaAs (это видно на рис.11) В результате электроны оказываются запертыми в образовавшихся цилиндрах (на рис.11 область, где находятся электроны, окрашена в красный цвет). Диаметры цилиндров имеют порядок 500 нм.

В квантовой точке движение ограничено в трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Размеры квантовых точек (можно говорить также о квантовых ящиках) порядка нескольких нанометров. Кроме простого нанесения рисунка на поверхность полупроводника и травления для создания квантовых точек можно использовать естественное свойство материала образовывать маленькие островки в процессе роста. Такие островки могут, например, самопроизвольно образоваться на поверхности растущего кристаллического слоя.

Кроме GaAs, в качестве материала для квантовых точек может использоваться огромное количество разнообразных веществ, в том числе CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, InP, Si и т. д.

Варьируя материал и условия техпроцессов, можно получать широкий спектр частиц, различающихся как размерами, так и физико-химическими свойствами. Внешний вид квантовых  точек также существенно зависит от условий их получения.

На данный момент существуют несколько способов производства КТ.

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии

Этот метод позволяет выращивать КТ на тщательно очищенных подложках. В условиях глубокого вакуума на подложку направляют поток атомов или молекул, получаемый испарением вещества со специально подготовленных источников. Если в качестве источников по очереди использовать вещества с различной шириной запрещенной зоны, можно вырастить на подложке ха. Этот метод был достаточно хорошо отработан еще при производстве полупроводниковых структур и на данный момент наиболее распространен. Особенно качественные КТ получаются при подборе исходных веществ с наиболее близкими периодами кристаллической решетки. Однако здесь следует отметить, что характерные «пирамидки» растут на подложке, только если периоды кристаллической решетки существенно различаются.

В этом случае на границе соприкосновения материалов появляются упругие напряжения, которые заставляют атомы осаждаемого вещества собираться в «капли» и «островки», поскольку такая конфигурация осаждаемого слоя становится более энергетически выгодной, чем равномерное распределение. Свойства получаемой структуры зависятот конкретных условий используемого техпроцесса: степени чистоты материалов, их физико-химических свойств, совершенства кристаллической структуры подложки, температуры, при которой проходит процесс, и т. д. В большинстве случаев все эти параметры подбираются экспериментальным путем. Для серийного производства КТ путем молекулярно-лучевой эпитаксии важно, чтобы геометрические размеры получаемых КТ были по возможности наиболее близкими. На данный момент разработаны техпроцессы, при которых получаемые КТ различаются по размерам всего в пределах 2–3%

Мосгидридная газофазная эпитаксия

При мосгидридной газофазной эпитаксии (МОСГЭ) гетероструктуры выращиваются в газофазном реакторе при атмосферном давлении. Газовой фазой в таких реакторах обычно является горячий поток водорода, смешанный с атомами осаждаемого вещества. В одном из экспериментов в качестве источников полупроводниковых молекул использовались арсин, а также триметилгаллий или триметилиндий. Для формирования КТ триметилгаллий и арсин подавались в реактор поочередно. Кроме того, в качестве легирующей примеси использовался хлорид углерода ССl4. В результате экспериментов было показано, что в диапазоне температур рабочей области 430…650 °С наиболее качественные гетероструктуры выращивались при рабочей температуре около 580 °С и легировании ССl4. Интенсивность фотолюминесценции таких КТ была на порядок выше, чем у контрольных образцов. Показано, что, изменяя различным образом параметры процесса роста квантовых точек InAs/GaAs, можно в широких пределах управлять параметрами получаемых КТ.

Метод коллоидного синтеза

Сборка КТ методом коллоидного синтеза осуществляется в жидкой фазе. Например, для коллоидного синтеза нанокристалов CdSe, диметил кадмия и селеновую пудру растворяют в триалкилфосфине, затем полученную смесь впрыскивают в разогретый до температуры 350 °С триоктилфосфин. Выращивание зародышей нанокристаллов происходит при температуре 280…300 °С. Управляя параметрами технологического процесса, можно менять условия роста и получать нанокристаллы различного диаметра и формы.

Увеличение концентрации исходных веществ и температуры приводит к формированию нанокристаллов более крупных размеров и с большей скоростью. Плавная подача в реактор компонентов исходной смеси и более низкая температура приводит к формированию мелких нанокристаллов сферической формы. При необходимости, подбором технологических параметров можно добиться роста нанокристаллов в определенных направлениях. Таким способом удается сформировать нанокристаллы в форме многоугольников и даже тетраподов. На заключительном этапе производства КТ полученные нанокристаллы сверху покрывают материалом с широкой запрещенной зоной, например ZnS или CdS. Для этого в реакционную смесь медленно добавляют раствор, содержащий диэтил цинка Zn(Et)2 и триметилсилансульфид (CH3)3Si-S-Si(CH3)3. На данный момент КТ можно получать и другими хорошо отработанными методами, например литографией. Кроме того, разработано много современных и даже в некоторой степени экзотических методов, например, формирование металлических КТ методом электрохимической кристаллизации или получение КТ методом электропорации везикул. Бесспорным преимуществом метода коллоидного синтеза является возможность массового производства квантовых точек в любых необходимых количествах. Возможность гибкого управления технологическими параметрами производственного процесса позволяет получать КТ с небольшим разбросом геометрических параметров и широким спектром поглощения. К недостаткам этого метода следует отнести относительную новизну и необходимость во многих случаях эмпирически подбирать параметры технологического процесса. В противоположность этому, литографические и эпитаксиальные методы исторически более отработаны, однако для получения КТ этими методами необходимы подложки и дорогостоящее вакуумное оборудование, что приводит к существенному удорожанию всего технологического процесса производства.

Применение квантовых точек

Наличие квантовой ямы и запертых в ней электронов делает КТ необычайно удобным объектом для целого ряда практических приложений. Прежде всего, здесь нужно упомянуть использование КТ в светоизлучающих конструкциях. Большинство современных полупроводниковых лазеров для генерации излучения используют двойную гетероструктуру, при которой слой полупроводника с узкой шириной запрещенной зоны помещается между двумя слоями с широкой запрещенной зоной. Движение электронов в них пространственно ничем не ограничено, кроме, разумеется, потенциальных барьеров, и, таким образом, основное влияние на эти системы оказывают квантовые размерные эффекты. Чем меньше геометрические размеры активной области, тем больший градиент плотности состояний можно создать. Лазеры с квантово-размерной активной областью позволяют получать генерацию в непрерывном режиме при комнатной температуре и уменьшить пороговый ток начала генерации до величин порядка 50 А/см2. Другая особенность КТ в том, что они не имеют состояний, которые не принимают участия в генерации излучения, но при этом содержат электроны. Это приводит к уменьшению потерь энергии накачки и позволяет уменьшить пороговый ток.

Частота генерации может легко меняться в зависимости от размера выращенных наночастиц. Таким образом, лазеры на КТ обладают бoльшим коэффициентом усиления, более высокой рабочей температурой, для них необходима меньшая пороговая плотность тока, ими легче управлять, чем традиционными полупроводниковыми лазерами.

Характерные особенности КТ — весьма широкий спектр поглощения и узкий спектр излучения, благодаря чему удается строить флюоресцирующие системы в широком диапазоне от УФ до ИК частей спектра. В настоящее время ведутся исследования по разработке газоразрядных источников света на основе кластеров тугоплавких металлов. Утверждается, что интенсивность излучения газоразрядных источников на основе вольфрамовых или молибденовых КТ намного больше, чем интенсивность излучения традиционных ртутных люминесцентных ламп. На основе КТ можно изготавливать светодиоды повышенной яркости, а также специальные покрытия для существующих источников света, корригирующие спектр излучения. Не секрет, что люминесцентные лампы обладают слишком «холодным» спектром излучения. Многочисленные попытки откорректировать спектр с помощью светофильтров и специальных отражателей серьезного успеха до сих пор не имели. В исследовании Майкла Бауэрса из университета Вандербильта показана возможность создания полимерного покрытия из смеси КТ с полиуретаном, которое позволяет сдвигать спектр излучения синего светодиода в желтую сторону, делая его похожим на спектр излучения традиционных ламп накаливания. КТ можно использовать практически во всех сферах, в которых нашли широкое применение современные полупроводники, например, в области производства высокопроизводительных солнечных батарей, светоизлучающих и фотодиодов, фотодетекторов и даже одноэлектронных транзисторов.Однако специфические особенности КТ значительно расширяют спектр их применения. Флюоресцирующие маркеры на основе КТ можно использовать для получения изображения глубоко залегающих тканей. Например, если ввести внутривенно взвесь квантовых точек с зеленым спектром излучения, то через кожу станет видна сеть кровеносных сосудов в виде характерного зеленого «деревца».Таким образом можно легко диагностировать поврежденные сосуды и аневризмы.

Рисунок 12. Схематическое изображение (слева вверху) квантовой точки (QD), к которой пришиты молекулы, способные прилипать только к поверхности определённого состава. Внизу показана суспензия квантовых точек разного диаметра.

В настоящее время разрабатываются методики снабжения КТ антителами, имеющими сродство к поверхностным антигенамопухолевых клеток. При этом возможно несколько вариантов использования данной технологии. Комплекс «КТ – антитело» можно использовать для обнаружения опухолевых клеток в организме и визуализации х. Благодаря узкому спектру излучения КТ, их люминесценцию легко отличить от естественных излучений человеческого тела.Если комплекс «КТ – антитело» снабдить магнитными или золотыми наночастицами, то, кроме визуализации опухолевых клеток, возможно безоперационное уничтожение их путем теплового нагрева. Если же комплекс «КТ – антитело – магнитная наночастица» снабдить молекулярными захватами , то такой наноманипулятор сможет эффективно захватывать опухолевые или бактериальные клетки в кровотоке и доставлять их к точке сбора, находящейся, например, на диализной мембране.

Комплексы «КТ – антитело» могут быть использованы в так называемых «лабораториях на чипе». На каждом квадратном миллиметре такого устройства размещаются сотни ячеек с комплексами «КТ – антитело» или комплексами «КТ – РНК». Каждый из таких комплексов специфичен для своего участка ДНК, если производится генная диагностика и используется комплекс «КТ – РНК», или для какого-нибудь антигена бактериального или вирусного происхождения, если микрочип используется для детектирования инфекции. После нанесения на чип капли исследуемой крови происходит избирательное связывание антигенов с наночастицами в тех ячейках, где нанокомплексы оказываются комплиментарны соответствующим антигенам. После этого микрочип просматривают под микроскопом. Поскольку цвет наночастиц существенно зависит от их размера, в тех ячейках, где произошло связывание, изменяется цвет. Процедура может быть автоматизирована с помощью колориметрических анализаторов. Процесс проведения такого анализа занимает считаные минуты. За это время можно будет протестировать весь геном человека на большинство известных генных аномалий или провести моментальную идентификацию какого-либо инфекционного агента, что особенно актуально в условиях массовых эпидемий.

В биологических исследованиях нанокомплексы на основе КТ могут использоваться для окрашивания и визуализации различных внутриклеточных структур, которые в норме прозрачны и под микроскопом не видны. Однако до широкого практического внедрения данных технологий необходимо решить еще много технологических проблем. Прежде всего, вопрос токсичности. На данный момент совершенно неясно, как поведут себя полупроводниковые КТ в организме в долгосрочной перспективе, поскольку большинство химических соединений, используемых для производства КТ, для человеческого

организма токсичны. Однозначных исследований на эту тему проведено очень мало. Кроме того, сложно подобрать хорошие линкеры, которые могли бы достаточно прочно связывать с КТ различные антитела или лекарственные препараты и освобождать их по мере надобности.

Активные исследования в этой области продолжаются. Поэтому на данном этапе наибольшее применение КТ находят в технике.Уже созданы прототипы ярких и гибких дисплеев на КТ. Благодаря высокому квантовомутвыходу (до 70%), по контрастности и яркости такие дисплеи будут значительно превосходить существующие жидкокристаллические.

Интересное применение КТ предложено учеными из Израиля. Они создали нанокомплексы из полупроводниковых КТ CdSe/ZnS, связанных с никотинамид аденин динуклеотидом (NAD+), который является универсальным акцептором электронов и обладает способностью гасить фотолюминесценцию КТ. Таким образом, возбужденный внешним излучением электрон в КТ, переходит на NAD и восстанавливает его, что не позволяет электрону вернуться на нижний уровень КТ с испусканием кванта света. Если нанокомплексыт присутствуют в растворе, где проходит реакция, сопровождающаяся процессами окисления, или присутствуют доноры электронов, то интенсивность свечения КТ увеличивается, так как связанные с нанокомплексами NAD+ перехватывают электроны, а восстановленный NADН фотолюминесценцию не гасит.

Авторы утверждают, что по изменению интенсивности фотолюминесценции можно с высокой степенью достоверности распозна- вать в смеси присутствие каких-либо опасных веществ, например гексогена. Пожалуй, наиболее многообещающим направлением исследования применения КТ следует считать возможность создания на их основе квантовых компьютеров. Как известно, квантовый компьютер является вычислительным устройством, которое в процессе своих вычислений использует преимущественно такие квантовомеханические эффекты, как квантовый параллелизм и запутанность. По аналогии с обычной информатикой за элементарную единицу информации в квантовых вычислениях принимается кубит. Квантовый кубит является квантовой системой, которая может принимать два состояния — 0 и 1. Это могут

быть, например, два электрона с противоположно направленными спинами. Несколько связанных между собой кубитов образуют элементарную вычислительную ячейку — регистр. Преимущество квантовых вычислительных систем заключается в том, что благодаря принципу запутанности, изменяя состояние

одного кубита в регистре, мы можем без дополнительных затрат энергии и тактов процессора изменить состояние всех других кубитов в регистре и тем самым получить возможность использовать всю мощь квантового параллелизма в вычислениях. Допустим, у нас есть квантовая система из L двухуровневых квантовых кубитов. Такая система может иметь 2L независимых состояний и, таким образом, за счет квантового параллелизма выполнять параллельно 2L операций. Так как все состояния являются запутанными, то есть квантовомеханически связанными, состояния всех кубитов в регистре меняются одновременно. Теоретически такой компьютер будет работать в экспоненциальное число раз производительнее, чем классический. За последние годы в качестве кандидатов на физическую реализацию предложено множество различных квантовых систем, в том числе спиновые состояния электронов, сверхпроводящие кольца с противоположно направленными токами, замысловатые полупроводниковые структуры. В некоторых последних разработках в качестве физической основы для реализации кубитовых регистров используют квантовые точки . Подбирая размеры КТ и количество атомов в них, можно добиться состояния, когда КТ содержит всего один свободный электрон. Располагая на подложке такие КТ достаточно близко друг от друга, можно добиться того, что электроны в них начнут взаимодействовать своими спинами и окажутся квантовомеханически связанными. Тогда меняя с помощью лазерного импульса состояние одного из электронов, можно влиять на состояние спина электронов всех остальных КТ в квантовом регистре. Периодически на технических выставках даже демонстрируются вроде бы работающие прототипы, однако до массового производства квантовых чипов по-прежнему очень далеко, поскольку, несмотря на крайне заманчивые перспективы реализации квантовых компьютеров, их практическая реализация все еще остается трудно достижимой. Главным образом, это происходит из-за неустойчивости квантовых состояний и технологических трудностей.

Постепенно, с течением времени выяснилось, что КТ являются хорошей физической моделью для изучения поведения реальных атомов вещества. В некоторых случаях их даже называют искусственными атомами. В принципе, КТ можно попытаться собрать в некоторое подобие вещества, и такие эксперименты успешно проводятся . Таким образом, потенциальная сфера применения КТ огромна и продолжает расширяться. Однако если говорить о практическом применении КТ, можно отметить, что существует ряд принципиальных трудностей, которые сильно ограничивают практические разработки. Прежде всего, это сложности технологического характера. Подбор состава материалов и параметров роста КТ в различных режимах пока в значительной степени остается эмпирическим. Не удается с уверенностью наладить производство упорядоченных массивов КТ на подложках. В стадии разработки находятся различные нелинейные элементы на КТ. Например, те же одноэлектронные транзисторы. Эти и многие другие технологические вопросы все еще ждут своего окончательного решения.

Лазеры на квантовых точках

Кроме слоев с обычными квантовыми ямами, для производства лазеров с продольными металлическими брэгговскими решетками используются структуры с квантовыми точками.

В них квантовая яма заменяется маленькими п/п островками размером порядка несколько нанометров, которые подчиняются квантово-механическим ограничениям. Такие материалы с квантовыми точками обеспечивают усиление в большем спектральном диапазоне. Это означает, что для производимых ОМ ЛД будет доступен более широкий спектральный диапазон .

Более того, лазеры на основе квантовых точек имеют более низкий порог плотности тока и меньшую температурную зависимость порогового тока по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Эта особенность дает возможность таким приборам работать при более высокой рабочей температуре.

 Лазеры с квантовыми каскадами

Одно из типичных приложений (указанных выше), где применяются сенсоры на основе DFB-лазеров, использует тот факт, что вращательно-колебательные переходы в любых важных(с точки зрения приложений) газах и жидкостях расположены в близком ИК-диапазоне, то есть в спектральном диапазоне излучения лазеров на квантовых ямах и квантовых точках. Однако множественность этих переходов ярко демонстрирует концентрацию поглощения в среднем ИК-диапазоне (то есть вращательно-колебательные переходы между основны- ми электронными состояниями), которые на порядок выше тех, что имеют место в близком ИК-диапазоне (и обусловлены вращательно-колебательными переходами между возбужденными электронными состояниями). Поэтому когерентный ОМ-источник света в среднем ИК-диапазоне может дать больше преимуществ для приложений, использующих его в качестве сенсора, особенно если требуются высокая чувствительность и широкие пределы детектирования.До сих пор этот спектральный диапазон был доступетолько лазерам на солях свинца, которые требуют дорогого и затратного по времени охлаждения жидким азотом. С появлением несколько лет назад так называемых лазеров на квантовых каскадах (QCL) стали доступны новые п/п источники света в среднем ИК-диапазоне, которые могут работать при комнатной температуре или чуть ниже ее. Лазеры QCL –однополярные приборы, то есть их световое излучение –результат внутризонных переходов электронов в зоне проводимости. Технологически приборы формируются как последовательность специально спроектированных эпитаксиальных слоев в процессе роста структуры. Лазеры типа QCL не имеют каких-то фундаментальных ограничений на верхнюю граничную длину волны излучения. Так, длины волн бо'льшие, чем 3,4 мкм, можно реализовать с помощью QCL на основе InP, а излучение в спектральном диапазоне выше 8 мкм становится возможным при использовании GaAs-подложек.

Можно получить ОМ-излучение, используя продольнуюметаллическую решетку в структуре QCL. Например, DFB-решетка может быть расположена на вершине гребня волно-вода, как это показано на рис.14.

Рис.14 структурная схема квантового каскадного лазера с

металлической решеткой, нанесенной на верхнюю

часть волновода

При такой конструкции структура решетки вытравливается в п/п материале, а ее штрихи (бороздки) заполняются затем металлом, который играет роль контакта при инжекции тока в прибор. Аналогично концепции продольной металлической решетки, описанной выше, эта структура решетки также обеспечивает пространс твенно-периодические изменения ПП для направляемой световой моды, которая (в свою очередь) создает излучение ОМ-лазера. Этот прибор может работать в импульсном режиме при комнатной температуре, излучая длину волны 10,8 мкм, которая, в частности, может использоваться для высокочувствительного детектирования NH3.

Новая концепция DFB-лазеров с продольной металлической решеткой позволяет осуществить экономичное производство ЛД, излучающих в широком спектральном диапазоне. В отличие от обычной технологии DFB-решеток она позволяет полностью исключить этапы сложного эпитаксиального наращивания. Вместо этого можно использовать более простой процесс, применимый ко всем установившимся полупроводниковым соединениям (А3В5) в оптоэлектронике и облегчить тем самым путь к созданию приборов, излучающих желаемую длину волны и дающих большой выход годных. Диапазон применений этих DFB-лазеров простирается от создания сенсоров (используемых для анализа окружающей среды, в медицине и системах обеспечения безопасности) до процессов управления, систем связи и других приложений.

Лазер на квантовой яме.

Для того, чтобы квантовую яму превратить в лазер, нужно ее подсоединить к двум контактам, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область. Пусть через один контакт электроны поступают в зону проводимости. Далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, они будут излучать кванты. То есть порции электромагнитного излучения. Затем через валентную зону ноители тока должны уходить на другой контакт. Электромагнитное излучение, генерируемое лазером, нужно концентрировать в центральной, рабочей области прибора. Для этого показатель внутренних слоев должени быть больше, чем внешних. Можно еще сказать, что внутренняя область играет роль волновода. На границах этого волновода нанесены зеркала, которые образуют резонатор.

Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полкпроводниковыми лазерами. Очень важно, что эти приборы можно перестраиать, управляя параметрами энергетического спектра. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную населенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономны, они питаются меньшим током, нежели другие полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой энергии – до 60% электрической мощности преобразуется в свет.

Квантовые нити.

В полупроводниковых структурах, где движение электронов по одной из координат ограничено, начинают проявляться эффекты квантования вдоль этой координаты. В результате свободное движение электронов из трехмерного становится двумерным, что кардинально меняет большинство электронных свойств и является причиной новых интересных эффектов, в том числе квантового эффекта Холла.

Вполне естественно сделать еще один шаг на этом пути и создать (или по крайней мере попытаться это сделать) одномерные электронные системы, часто называемые квантовыми нитями. Для этого необходимо иметь нечто действительно напоминающее тонкую нить, где движение электронов резко ограничено в двух направлениях из трех и лишь вдоль оси нити (будем называть ее осью х) остается свободным. При этом за счет малых поперечных размеров нити движение в плоскости yz квантуется, и его энергия может принимать лишь некоторые дискретные значения,  так что полный закон дисперсии имеет вид

где m - эффективная масса электронов. Видно, что каждому дискретному уровню Ei соответствует целый набор возможных состояний, отличающихся импульсом px . При этом обычно говорят не об уровне, а о подзоне размерного квантования с номером i.

Как уже говорилось, переход от трех- к двумерным электронным системам раскрыл перед исследователями целую новую область с большим количеством принципиально новых физических явлений. Можно надеяться, что то же самое произойдет и при новом шаге в область одномерных систем.

Методы изготовления квантовых нитей.

К тому времени, когда экспериментальные исследования квантовых нитей начали разворачиваться во многих лабораториях мира (а произошло это буквально несколько лет назад), технология двумерных электронных систем уже достигла высокой степени совершенства и получение таких структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии стало в достаточной степени рутинной процедурой. Поэтому большинство способов изготовления квантовых нитей основываются на том, что в системе с двумерным электронным газом (как правило, на основе гетероструктур) тем или иным способом ограничивается движение электронов еще в одном из направлений. Для этого есть несколько способов.

Наиболее очевидный из них - это непосредственное "вырезание" узкой полоски с помощью литографической техники (рис. 13).

 При этом для получения электронных нитей шириной в сотни ангстрем, где квантование энергий электронов будет заметным, необязательно делать полоски именно такой ширины, что требует литографической техники сверхвысокого разрешения. Дело в том, что на боковых гранях вытравленной полоски, как и на свободной поверхности полупроводника, образуются поверхностные состояния, создающие, как правило, слой обеднения. Этот слой вызывает дополнительное сужение проводящего канала, в результате чего квантовые эффекты можно наблюдать и в полосках большей ширины - порядка десятой доли микрона.

Можно поступить и иначе. Поверхность полупроводниковой структуры покрывают металлическим электродом, создающим с полупроводником контакт Шоттки и имеющим узкую щель. Если гетерограница находится достаточно близко от поверхности, в слое обеднения, то двумерные электроны на границе будут отсутствовать всюду, кроме узкой области под щелью. Такой тип одномерной структуры обладает дополнительным преимуществом: меняя напряжение на затворе, мы можем управлять эффективной шириной квантовой нити и концентрацией носителей в ней.

Практическое применение квантовых нитей

Исследования квантовых нитей только разворачиваются, и возможности практического приборного применения подобных структур исследованы еще недостаточно. Четко просматривается пока одна такая область, связанная с полупроводниковыми лазерами.

Для работы лазера в режиме генерации необходимо, чтобы усиление света в резонаторе было больше полных потерь. При равенстве полных потерь в резонаторе для достижения порога генерации нужно инжектировать в активную область лазера тем меньше носителей, чем больше плотность состояний вблизи края зоны. Это означает, что для уменьшения порогового тока (важнейшей характеристики инжекционных лазеров, которую желательно делать как можно меньше) следует иметь структуру с высокой плотностью состояний. В свое время значительный прогресс в создании лазеров был связан с использованием полупроводниковых структур, содержащих квантовые ямы. Причина этого становится ясной после сравнения рис. 2, а и б, где видно, что плотность состояний вблизи края зоны в квантовых ямах имеет конечную величину, то есть значительно превосходит плотность состояний в массивном полупроводнике, обращающуюся в нуль на краю. Рисунок 2, в указывает на то, что в квантовых нитях можно ожидать еще большего улучшения характеристик лазеров из-за обращения плотности состояний в бесконечность. Разумеется, в реальных структурах из-за уширения квантовых уровней за счет рассеяния носителей плотность состояний будет иметь конечное значение, но тем не менее в квантовых нитях высокого качества можно рассчитывать на дальнейшее снижение порогового тока.

Будущие исследования квантовых нитей, безусловно, откроют и другие перспективы их приборного применения.