Полупроводниковые наноструктуры и наноустройства

152 
Спонтанное возникновение периодических упорядоченных наноструктур на 
поверхности твердых тел и в эпитаксиальных пленках используется для 
создания нанокластеров (квантовых точек) и нанопроволок.
Рис. 3.14. а) Наноструктуры, обладающие модуляцией состава твердого раствора; 
б) Фасетированные на поверхности с периодом 
D
; 
в) Периодические структуры с участием плоских упругих доменов; 
г) Упорядоченные структуры нанокластерных напряженных островков (2) на подложке(1), 
Размер основания пирамиды, D-период чередования островков.[2] 
Выделяются четыре группы упорядоченных наноструктур, которые 
представлены на рис. 3.14: 
1.Наноструктуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных 
пленках твердых растворов полупроводников. 
2.Периодически фасетированные поверхности. 
3.Периодические структуры плоских поверхностных доменов. 
4.Упорядоченные структуры трехмерных когерентно напряженных островков 
(нанокластеров) в гетероэпитаксиальных наноструктурах на поверхности 
подложки. 
Для первой группы возможность спонтанного возникновения структур с 
периодической модуляцией состава связана с неустойчивостью однородного 
твердого раствора относительно спиноидального распада. 
Для второй группы наноструктур причиной спонтанного фасетирования 
поверхности является ориентационная зависимость поверхностной энергии. 
Плоская поверхность стремиться самопроизвольно, трансформироваться в 
систему впадин и гребней. 
Периодически фасетированные поверхности дают возможность получения 
массивов изолированных квантовых проволок и сверхрешеток квантовых 
проволок. 
Третья группа наноструктур плоских доменов возникает, при наличии на 
поверхности различных фаз, островков монослойной высоты. Соседние домены
имеют различные значения тензора поверхностных натяжений, что вызывает 
упругие деформации на поверхности. 

153 
Четвертая группа спонтанно упорядоченных наноструктур в виде массивов 
трехмерных когерентно напряженных островков возникает из-за наличия двух 
источников полей упругих напряжений и зависимости поверхностной энергии 
от деформации, обусловленной капиллярными эффектами. Разные постоянные 
решетки осаждаемого материала и подложки и скачок тензора поверхностных 
натяжений на ребрах островков приводят к суммированию объемной упругой 
энергии, упругой энергии на ребрах и энергии взаимодействия двух упругих 
полей. 
Упорядоченные наноструктуры на основе вертикально связанных 
InGaAs
позволяют создать лазерные устройства. Лазер включает активную зону на 
основе упорядоченной наноструктуры в виде нанокластеров 
InGaAs
в матрице 
GaAs
, среду для инжектирования электронов и дырок, распределенные 
/
AlGaAs AlO
бреговские рефлекторы в качестве зеркал и электроды.
При комнатной температуре в случае оптимального количества слоев 
верхнего бреговского рефлектора максимальная эффективность составила 16%, 
а минимальный пороговый ток 68 мкА. 
Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами VCSEL
(Vertical-
Cavity Surface-Emitting Laser). Конструкция лазера на квантовых ямах приведена 
на рис. два брэгговских зеркала, расположеные параллельно исходной 
подложке, образуют резонатор лазера. Активная зона содержит одну или 
несколько полупроводниковых квантовых ям или точек. Инжекция носителей 
заряда в активную зону осуществляется непосредственно через нижнее зеркало 
с 
n
-типом легирования и верхнее с 
p
-типом легирования.лазер представляет p-i-
n структуру.типичная апертура ЛВР составляет 10 мкм . Излучение выводится 
через верхнее или оба зеркала, что определяется соотношением коэффициентов 
отражения зеркал, состоящих из слоев. См рис.3.15 
Рис. 3.15. слева. Конструкция наноэлектронного лазера на квантовых ямах; 
справа. Ватт-амперная зависимость для ЛВР на основе квантовых ям GaAs с оксидной 
апертурой AlGaO 16 мкм. Непрерывная накачка, T=300 K.[3] 
Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры находят широкое 
применение в быстродействующих оптоволоконных системах для передачи 
информации. Подобные лазеры работают в диапазоне ближнего инфракрасного 
излучения (ИК) длин волн 850 и 980 нм. Разработаны лазеры в диапазоне 
дальнего ИК 1,2 -1,5 мкм. 

154 
Для лазеров на основе нанокластеров полупроводников генерирующих 
излучение в оптическом и ультрафиолетовом УФ-диапазоне используют 
широкозонные материалы. Таким материалом является окись цинка 
ZnO
с 
запрещенной зоной 3,37 эВ, оптические переходы которого лежат в диапазоне 
УФ. Лазерное экситонное излучение было получено для нанопроволок 
ZnO
на 
сапфировой подложке под действием оптического возбуждения. 
Нанопроволоки 
ZnO
были синтезированы из газовой фазы с помощью 
эпитаксиального роста на сапфировой подложке(110). В качестве катализатора, 
использовались нанокластеры золота
Au
, которые включались в тонкую пленку 
на поверхности сапфира. Изображение нанопроволок 
ZnO
с помощью 
сканирующего электронного микроскопа показана на рис.3.16. 
Нанопроволоки растут перпендикулярно подложке. Их диаметр 20-150 нм. 
Длина нанопроволок от 2-10 мкм. Концы проволок имеют форму правильных 
шестиугольников. Правильная форма поверхностей таких проволок необходима 
для создания концентрированного лазерного излучения. 
Рис. 3.16. Изображение со сканирующего электронного микроскопа нанопроволок 
ZnO
, 
выращенных вертикально по отношению к подложке из сапфира.[2] 
Под 
влиянием 
оптического 
возбуждения 
в 
нанопроволоках
генеририруются лазерные моды с длинами волн 370-400 нм фиолетового цвета 
при ширине линии 0,3 нм. Резонансных зеркал нет. Сами нанопроволоки 
ZnO
-
система монокристаллических резонансных полостей, а их торцевые 
поверхности выполняют роль зеркал концентрирующих генерированное 
излучение. 

жүктеу/скачать 12,63 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: