Глава III Актуальность исследований и практическое применение

Области практического применения полупроводниковых гетероструктур

Интенсивное развитие технологии δ-легирования стимулирует интерес к проблеме управляемой модуляции энергии связи примесных состояний и, соответственно, управления энергиями оптических переходов. Это важно как с фундаментальной точки зрения, поскольку двойное квантование содержит ряд дополнительных возможностей исследования зонной структуры низкоразмерных полупроводниковых структур, так и с точки зрения создания фотоприемников с управляемой рабочей частотой и чувствительностью в области примесного поглощения света. Наличие магнитного поля приводит к ощутимому изменению положения примесных уровней. Наличие магнитного поля также приводит к спиновому расщеплению спектра носителей, проявляющемуся, например, в процессах спиновой релаксации, в магнитных и фотогальванических явлениях.

Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые гетероструктуры и, особенно, двойные гетероструктуры, включая квантовые ямы, нити и точки, являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников.

Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая электроника, то гетероструктуры дают возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.

Развитие физики и технологии полупроводниковых гетероструктур привело к значительным переменам в нашей повседневной жизни. Электронные устройства на основе гетероструктур широко используются во многих областях человеческой деятельности. Едва ли возможно вообразить нашу жизнь без телекоммуникационных систем, основанных на лазерах с двойной гетероструктурой (ДГС), без гетероструктурных светодиодов и биполярных транзисторов, без малошумящих транзисторов с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), применяющихся в высокочастотных устройствах, с том числе в системах спутникового телевидения. Лазер с ДГС присутствует теперь фактически в каждом доме в проигрывателе компакт-дисков. Солнечные элементы с гетероструктурами широко используются как для космических, так и для земных программ [21].

Инжекционные лазеры на квантовых точках. Основные преимущества

Преимущества лазеров на квантовых точках по сравнению с лазером на квантовых ямах можно условно разделить на физические и технологические. Физические преимущества обусловлены в основном δ-образным спектром плотности состояний и гигантской силой осциллятора оптических переходов на единицу объема КТ, обусловленную эффективным перекрытием волновых функций электрона и дырки из-за их пространственной локализации. К таким преимуществам относят сверхвысокую температурную стабильность пороговой плотности тока, гигантские коэффициенты максимального удельного усиления материала и максимального дифференциального усиления материала, на два-три порядка превышающие аналогичные значения для лазера на квантовых ямах. К преимуществам лазеров на КТ можно также отнести малое время заселения основного состояния и, соответственно, высокие рабочие частоты. К технологическим преимуществам можно отнести отсутствие или подавление диффузии неравновесных носителей, что приводит к уменьшенному растеканию неравновесных носителей из области полоска, подавлению безызлучательной рекомбинации на точечных и протяженных дефектах и, соответственно, подавлению эффекта роста дислокаций, а также подавлению эффекта перегрева зеркал за счет поверхностной рекомбинации. Кроме того, упорядоченный массив квантовых точек, расположенный в оптическом волноводе, может приводить к распределенной обратной связи и одномодовой генерации. В случае вертикально излучающих лазеров имеется принципиальная возможность создания лазера на одной квантовой точке, что позволяет избежать неоднородного уширения, характерного для ансамбля квантовых точек, и полностью реализовать преимущества трехмерного квантования [22]. Рабочие характеристики лазеров на КТ, полученных различными методами, исследовались в работах [23–24].

Заключение

Теоретически исследована структура квантовая точка – водородоподобный примесный центр при наличии сильного магнитного поля. В рамках водородоподобной модели в приближении эффективной массы получено уравнение, определяющее зависимость энергии электрона локализованного на примесном центре от величины магнитного поля, а также выражение для края полосы магнитооптического поглощения. Построена графическая зависимость порогового значения энергии фотона от размеров квантовой точки.

Аналитически получены выражения для коэффициентов примесного поглощения исследуемого комплекса в рамках описанной выше модели в дипольном приближении для случаев поглощения световых волн поперечной и продольной поляризаций. Построены и исследованы графические зависимости данных коэффициентов от частоты поглощаемого света, а также от величины магнитного поля.

Исследован дихроизм магнитооптического поглощения комплекса квантовая точка – водородоподобный примесный центр и его эволюция с изменением величины магнитного поля. Рассчитаны значения глубины и эффективности модуляции вблизи края полосы поглощения.

К числу наиболее интересных результатов можно отнести сильную зависимость энергии связи от радиуса квантовой точки и отсутствие зависимости от магнитной индукции. Для спектра примесного магнитооптического поглощения света поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации характерны нормальный и аномальный эффекты Зеемана, на фоне которых заметны осцилляции коэффициента поглощения, обусловленные размерным квантованием. Отсутствие поглощения света продольной по отношению к направлению магнитного поля поляризации в дипольном приближении показывает наличие сильного дихроизма поглощения системой квантовая точка – водородоподобный примесный центр в сильном магнитном поле.