Квантовые ямы на гетероструктурах в настоящее время используют наиболее широко

К основным физическим явлениям и эффектам в квантовых ямах относятся: размерное квантование электронного спектра, квантовый эффект Холла и эффекты высокой подвижности электронов.

Главными приборными применениями кантовых ям, некоторые из которых будут рассмотрены ниже, являются высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды со спектром от ближнего ИК до голубого света, лазеры дальнего ИК-диапазона, параметрические источники света среднего ИК диапазона, фотоприемники среднего ИК диапазона, примесные фотоприемники дальнего ИК-диапазона, модуляторы в ближнем ИК диапазоне.

Квантовые нити (проволоки)

Квантовыми нитями (проволоками) называются наноструктуры, в которых движение носителей заряда квантовано в двух направлениях.

Большинство способов изготовления квантовых нитей основывается на том, что в квантовой структуре с двумерным электронным газом тем или иным способом ограничивается движение электронов еще в одном направлении.

Первые квантовые проволоки выполнялись на основе гетерогенных квантовых ям, потенциальный рельеф в которых создавался с помощью двух затворов, расположенных над этими ямами в соответствии с рисунком 6.14. Щель между затворами в контакте Шоттки делалась достаточно узкой. На указанном рисункецифрой 2 обозначен толстый слойузкозонного полупроводника (GaAs) над которым методом МЛЭ выращен тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной (например,AlxGa1-xAs), который обозначен цифрой 1, а цифрой 3 — металлические затворы. Заштрихованные области — это ОПЗ, которые обеднены электронами, а пунктиром обозначен собственно одномерный слой электронного газа.

Если гетерограница (GaAs/ Al_xGa_1-xAs) находится достаточно близко от поверхности в слое обеднения (ОПЗ), 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.

Наиболее перспективным методом сейчас рассматривается непосредственное “вырезание” узкой полоски с помощью литографической техники как это обсуждалось в подразделе 6.2. Уточненная практически применяемая конструкция такой нити показана на рисунке 6.15.

Рисунок 6.14 – Квантовая проволока, полученная вытравливанием щели в затворе Шоттки

Рисунок 6.15 – Квантовая проволока, полученная вытравливанием узкой полосы методом субмикронной литографии

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.

В квантовых проволоках основным физическим эффектом является квантование проводимости. Кроме того, в квантовых нитях распределение плотности состояний у краев зон сильно отличается от распределения для обычного объемного полупроводника и распределения в квантовых ямах. В соответствие с рисунком 6.16 плотность состояний для квантовых нитей значительно превосходит плотность состояний для полупроводника и квантовых ям.

Рисунок 6.16 – Распределение плотности состояний

Приборные применения квантовых проволок в настоящее время (2004 г.) пока отсутствуют. Пока просматривается только одна область их приборного применения, связанная с полупроводниковыми инжекционными лазерами.