Наноэлектроника Part seven. Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

Наноэлектроника

Part seven

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

• Система параллельных квантовых ям с очень тонкими (порядка ед. нм.) широкозонными разделяющими слоями через которые возможно туннелирование электронов называется структурой с вертикальным переносом.
• Такие структуры можно получить путём последовательного чередования слоёв GaAs и AlxGa1-xAs, с характерной нанометровой толщиной (<100 нм).

Стр. 2 из 20

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

Рисунок 7.1 – Структура с вертикальным переносом Wя – толщина ямы, Wб – толщина барьера

Стр. 3 из 20

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

Рисунок 7.2 – Энергетическая диаграмма структуры с вертикальным переносом

Стр. 4 из 20

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

• Где W = Wя + Wб – период структуры;
• ΔEc – высота потенциального барьера для носителей типа «n»;
• ΔEv – высота потенциального барьера для носителей типа «p».
• Если число параллельных слоёв в структуре с вертикальным переносом более нескольких десятков, то такие структуры называются сверхрешётками.
• Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки служат основой для таких приборов наноэлектроники как:
• Резонансно-туннельный диод;
• Одноэлектронный транзистор.

Стр. 5 из 20

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

Энергетический спектр электронов в сверхрешётке как и в одиночной квантовой яме имеет дискретный характер, но уровни квантования принимают другие значения, обусловленные дополнительным потенциалом периодического характера, связанным с разрывом зон на гетеропереходах. Как и потенциал кристаллической решётки этот потенциал является периодическим, поэтому к нему применимы все квантово-механические выводы о свойствах уравнения Шрёдингера с периодическим потенциалом.

Стр. 6 из 20

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

• Выводы:
• Движение носителей вдоль оси сверхрешётки описывается с помощью периодических функций для импульса и энергии с периодом:
• (7.1.)
• Энергетический спектр в зонах проводимости и валентных зонах дробится на чередующиеся ряды разрешенных и запрещённых зон, которые называются минизонами;

Стр. 7 из 20

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешётки на квантовых ямах

• Выводы:
• Для минизон, соответствующих нижним уровням квантовой ямы, в которых сконцентрирована основная масса носителей спектр электронов может быть записан как:
• (7.2.)
• Где En(Px) – энергетические уровни электронов в сверхрешётке;
• En – энергетические уровни электронов в квантовой яме;
• 2Δn – характерная ширина минизоны.

Стр. 8 из 20

Свойства минизон

• При увеличении толщины барьерных слоёв их туннельная непрозрачность уменьшается, а минизоны сужаются (2Δn→∞) и превращаются в дискретные уровни одиночной квантовой ямы;
• При уменьшении толщины барьера сужаются все запрещённые минизоны и сверхрешётка переходит в структуру обычного однородного полупроводника.

Стр. 9 из 20

Явление резонансного туннелирования в двухбарьерной структуре

Резонансное туннелирование – явление резкого возрастания прозрачности системы барьеров (относительно прозрачности единичного барьера), при равенстве энергии носителей, налетающих на систему барьеров квантованному уровню энергии в квантовой яме. Двухбарьерная структура – структура с вертикальным переносом, образованная двумя потенциальными барьерами и квантовой ямой, расположенной между ними.

Стр. 10 из 20

Резонансное туннелирование в двухбарьерной структуре

Рисунок 7.3 – Двухбарьерная структура

Стр. 11 из 20

Резонансное туннелирование в двухбарьерной структуре

С учётом того, что электрон в квантовой яме многократно отражается его коэффициенты отражения и прозрачности для двухбарьерной системы определим как: (7.2.) (7.3.) Где k – волновой вектор в квантовой яме; k∙L – запаздывание по фазе для электрона к яме.

Стр. 12 из 20

Резонансное туннелирование в двухбарьерной структуре

(7.4.) В квантовой яме квантуется и волновой вектор и уровни энергии: (7.5.) (7.6.) Если энергия электрона совпадает с дискретным уровнем, то cos()=1 и формула (7.4.) принимает вид: (7.7.)

Стр. 13 из 20

Резонансное туннелирование в двухбарьерной структуре

(7.8.) С учётом (7.8.) формула (7.7.) примети вид: (7.9.) Если предположить |D1|=|D2| то D≈1 Формула (7.9.) показывает, что даже если коэффициенты прозрачности (D) обоих барьеров малы, коэффициент прозрачности двухбарьерной системы для частиц с энергией, соответствующей дискретным уровням в квантовой яме имеет значение, близкое к 1 (эффект резонансного туннелирования).

Стр. 14 из 20

Резонансное туннелирование в двухбарьерной структуре

• Выводы:
• Электрон надолго задерживается в квантовой яме;
• В квантовой яме электрон испытывает многократное отражение от стенок;
• Если энергия электрона равна дискретному уровню квантования потенциальной ямы, вероятность туннелирования электронов через двухбврьерную систему велика.

Стр. 15 из 20

Основные свойства квантовых ям, использующиеся в приборах наноэлектроники

• Главными приборными применениями квантовых ям в наноэлектронике являются:
• ВЧ транзисторы с высокой подвижностью;
• Полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды со спектром от ближайшего ИК до голубого света;
• Лазеры дальнего ИК диапазона;
• Фотоприёмники среднего ИК диапазона;
• Примесные фотоприёмники дальнего ИК диапазона;
• Модуляторы в ближнем ИК диапазоне.

Стр. 16 из 20

Основные свойства квантовых ям

• Увеличение подвижности:
• На сегодняшний день в транзисторах на квантовых ямах получены подвижности порядка ≈107см2/В∙с (подвижность наблюдается при очень низких температурах и малых токах). При реальных условиях работы эти значения меньше;
• Эффект резонансного туннелирования (при создании полупроводниковых лазеров):
• Неравновесные носители заряда, создаваемые в области широкозонного материала захватываются в узкозонный слой, образующий квантовую яму. За счёт малой толщины слоя объёмная плотность неравновесных носителей достаточна для генерации.

Стр. 17 из 20

Основные свойства квантовых ям

• Использование структур с квантовыми ямами позволяет во много раз снизить пороговый ток инжекционных лазеров;
• Возможность управления эффективной шириной запрещённой зоны:

Стр. 18 из 20

Основные свойства квантовых ям

• Энергии квантования Ec1 и Ev1 зависят от ширины квантовой ямы, потому, меняя толщину слоёв в гетероструктуре можно из одних и тех же ПП изготавливать приборы оптоэлектроники для различных областей спектра. Для уже изготовленной квантовой ямы коэффициент поглощения может меняться под действием электрического поля.
• Сильное инфрокрасное поглощение
• Сильное инфрокрасное поглощение происходит за счёт электронных переходов между уровнями размерного квантования, что даёт возможность создавать высокоэффективные приёмники для такого излучения.

Стр. 19 из 20

Спасибо за внимание

Стр. 20 из 18