Квантовая яма. Инфракрасные фотодетекторы

1.

КВАНТОВАЯ ЯМА — это потенциальная яма, которая ограничивает подвижность частиц с трех до двух
измерений, тем самым заставляя их двигаться в плоском слое. Квантово-размерные
эффекты проявляют себя, когда ширина ямы становится сравнима с длиной волны де Бройля частиц
(обычно электронов или дырок), и приводят к появлению энергетических подзон размерного
квантования.
Энергию дна каждой из подзон размерного квантования можно приблизительно оценить с помощью
выражения:
n — номер подзоны размерного квантования,
m*— эффективная масса соответствующей квазичастицы,
d — ширина квантовой ямы.
Формула справедлива только тогда, когда рассеянная энергия
меньше, чем глубина ямы.
Из-за квазидвумерной природы в пределах одной подзоны
размерного квантования плотность состояний не зависит от
энергии, но когда значение энергии превышает энергию дна
следующей подзоны, то плотность состояний резко возрастает, в
отличие от корневой зависимости в случае трехмерных
электронов. Кроме того, эффективная масса дырок в валентной
зоне становится ближе к массе электронов в зоне проводимости.
Эти особенности приводят к предпочтительности использования
квантовых ям в оптических приборах. В результате квантовые ямы
широко используются в лазерных диодах, включая красные
лазеры для DVD и лазерных указок, инфракрасных лазерах для
оптических передатчиков и синих лазерах, в транзисторах с
высокой
подвижностью
электронов
используемых
в
малошумящей электронике.

2.

Инфракрасные
фотодетекторы
также
основаны
на
использовании
квантовых
ям.
Например, резонансный туннельный диод использует квантовую яму между двумя барьерами для
создания отрицательного дифференциального сопротивления.
Добавляя донорную примесь, можно получить двумерный электронный газ, обладающий
интересными свойствами при низкой температуре. Одним из таких свойств является квантовый
эффект Холла, наблюдаемый в сильных магнитных полях. Добавление же акцепторной примеси
приведет к получению двумерного дырочного газа.
Физически квантовая яма — тонкий плоский слой полупроводникового материала (обычно толщиной
1–10 нм) внутри которого потенциальная энергия электрона ниже чем за его пределами, таким
образом, движение электрона ограничено в одном измерении. Движение в направлении,
перпендикулярном плоскости квантовой ямы, квантуется, и его энергия может принимать лишь
некоторые дискретные значения.
Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничено 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. Сейчас квантовые структуры изготавливают иначе. Для этого используются так
называемые гетероструктуры, которые получаются при создании контактов полупроводников с
различной шириной запрещенной зоны. Тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной
помещается между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В результате
электрон оказывается запертым в одном направлении, в то же время в двух других направлениях
движение электрона будет свободным.
Для изготовления подобных структур разработано несколько совершенных технологических
процессов, однако наилучшие результаты в приготовлении квантовых гетероструктур достигнуты с
помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Гетероструктуры можно выращивать из различных
материалов, однако наиболее удачной парой для выращивания квантовых ям являются арсенид
галлия GaAs и твердый раствор AlxGa1–xAs (x = 0,15–0,35).

3.

СВЕРХРЕШЕТКА - это периодическая гетероструктура, состоящая из
чередующихся материалов с различной шириной запрещенной зоны.
Толщина этих периодических слоев обычно составляет порядка нескольких
нанометров. Зонная структура, возникающая в результате такой
конфигурации, представляет собой периодический ряд квантовых ям.
Важно, чтобы эти барьеры были достаточно тонкими, чтобы носители
могли туннелировать через барьерные области множества ям.
Определяющим свойством сверхрешеток является то, что барьеры между
ямами достаточно тонкие для соединения соседних ям. Периодические
структуры, состоящие из повторяющихся квантовых ям, которые имеют
барьеры, слишком толстые для взаимодействия соседних волновых
функций, называются структурами с множественными квантовыми ямами
(МКЯ). Поскольку носители могут туннелировать через области барьера между ямами, волновые
функции соседних ям соединяются через тонкий барьер, поэтому электронные состояния в
сверхрешетках образуют делокализованные минизоны. Решение для разрешенных энергетических
состояний в сверхрешетках аналогично решению для конечных квантовых ям с изменением
граничных условий, возникающих из-за периодичности структур. Поскольку потенциал периодичен,
систему можно математически описать аналогично одномерной кристаллической решетке.
Из-за своей квазидвумерной природы электроны в квантовых ямах имеют плотность состояний как
функцию энергии, которая имеет четкие ступени, в отличие от гладкой зависимости квадратного
корня, которая встречается в объемных материалах. Кроме того, эффективная масса дырок в
валентной зоне изменяется, чтобы более точно соответствовать массе электронов в валентной зоне.
Эти два фактора вместе с уменьшенным количеством активного материала в квантовых ямах приводят
к лучшим характеристикам оптических устройств.

4.

Квантовая яма может быть изготовлена ​как НАСЫЩАЮЩИЙСЯ ПОГЛОТИТЕЛЬ, используя ее свойство
насыщающегося поглощения . Насыщающиеся поглотители широко используются в лазерах с
пассивной синхронизацией мод . Полупроводниковые насыщаемые поглотители (SESAM)
использовались для синхронизации мод лазера еще в 1974 году, когда германий p-типа использовался
для синхронизации мод CO 2 -лазера, который генерировал импульсы ~ 500 пс. Современные SESAM
представляют собой полупроводниковые одиночные квантовые ямы (SQW) III-V или множественные
квантовые ямы (MQW), выращенные на полупроводниковых распределенных брэгговских
отражателях (DBR). Первоначально они использовались в схеме резонансной импульсной
синхронизации (RPM) в качестве пусковых механизмов для Ti: сапфировых лазеров, в которых KLM
использовался в качестве быстро насыщающегося поглотителя. RPM - еще один метод синхронизации
мод со связанными резонаторами. В отличие от лазеров APM, которые используют нерезонансную
фазовую нелинейность типа Керра для сокращения импульсов, RPM использует нелинейность
амплитуды, обеспечиваемую эффектами резонансного заполнения зон полупроводников. Вскоре
SESAM были преобразованы во внутрирезонаторные насыщаемые поглотители из-за большей
простоты, присущей этой структуре. С тех пор использование SESAM позволило на несколько
порядков улучшить длительность импульсов, среднюю мощность, энергию импульсов и частоту
следования сверхбыстрых твердотельных лазеров . Получены средняя мощность 60 Вт и частота
следования до 160 ГГц. При использовании KLM с поддержкой SESAM были получены импульсы
длительностью менее 6 фс непосредственно от Ti: сапфирового генератора. Основное преимущество
SESAM по сравнению с другими методами насыщения поглотителя заключается в том, что
параметрами поглотителя можно легко управлять в широком диапазоне значений. Например, флюенс
насыщения можно контролировать, изменяя коэффициент отражения верхнего отражателя, в то
время как глубину модуляции и время восстановления можно настраивать, изменяя условия
выращивания при низких температурах для слоев поглотителя. Эта свобода конструкции еще больше
расширила применение SESAM для синхронизации мод волоконных лазеров, где требуется
относительно высокая глубина модуляции для обеспечения самозапуска и стабильности работы.
Успешно продемонстрированы волоконные лазеры, работающие на диапазонах ~ 1 мкм и 1,5 мкм.

5.

Захват носителя и срок службы Благодаря эффективному использованию носителей в квантовых
ямах исследователи могут повысить эффективность солнечных элементов с квантовыми ямами
(QWSC). Внутри квантовых ям во внутренней области штыревых солнечных элементов оптически
генерируемые носители либо собираются встроенным полем, либо теряются из-за рекомбинации
носителей. Рекомбинация носителей - это процесс, в котором дырка и электрон рекомбинируют,
чтобы нейтрализовать свои заряды. Носители могут собираться дрейфом под действием
электрического поля. Можно либо использовать тонкие ямы и транспортные носители посредством
термоэлектронной эмиссии, либо использовать тонкие барьеры и транспортные носители
посредством туннелирования. Время жизни носителя для выхода определяется временем жизни
туннелирования и термоэлектронной эмиссии. Время жизни туннелирования и термоэлектронной
эмиссии зависит от низкой эффективной высоты барьера. Они выражаются следующими
уравнениями:
Например,
принимая
во
внимание
In0,18Ga0,82As (12,5нм) / GaAs0,36P0,64 (4нм),
времена
жизни
туннелирования
и
термоэлектронной эмиссии составляют 0,89 нс
и 1,84 нс соответственно. Даже если принять
время рекомбинации 50 нс, вероятность
выхода из одной квантовой ямы и 100
квантовых ям составляет 0,984 и 0,1686, что
недостаточно для эффективного захвата
носителей. Уменьшение толщины барьера до
20 ангстремов уменьшает до 4,1276 пс,
увеличивая вероятность ухода на 100
квантовых ям до 0,9918. Это указывает на то,
что
использование
тонких
барьеров
необходимо для более эффективного сбора
носителей.

6.

Соотношение между шириной
запрещенной зоны и постоянной
решетки для некоторых
полупроводниковых соединений и
их твердых растворов
Уникальность
тройных
соединений
AlxGa1-xAs,
технология которых была
развита под руководством
Ж. И. Алфёрова в конце 60-х
годов, заключается в том, что
во
всем
диапазоне
химического
состава
параметр кристаллической
решетки
оказывается
практически
точно
совпадающим с параметром
решетки подложки – GaAs,
что позволяет избежать
формирования дефектов на
гетерограницах.
Схематическое
изображение объемного
полупроводника, квантовой
ямы,
массива квантовых
Использование метода молекулярно-пучковой эпитаксии позволило
проволок и массива
реализовать технологию зонной инженерии – целенаправленного изменения
квантовых точек
профиля энергетических зон полупроводниковых гетеросоединений, создавая
принципиально новые приборы или существенно улучшая характеристики
известных полупроводниковых. Одним из замечательных примеров зонной
инженерии являются лазерные структуры, которые соединили в себе активную
область на основе квантовой ямы, ограниченной короткопериодными
сверхрешетками, образующими лазерный волновод с раздельным
ограничением носителей заряда и световой волны и плавным изменением
показателя преломления в волноводе.

7.

КВАНТОВАЯ ТОЧКА – это фрагмент проводника или полупроводника (например InGaAs, CdSe, CdS или
GaInP/InP), носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём
измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были
существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других
энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических
единицах.
Энергетический спектр квантовой точки дискретен, и расстояние между стационарными уровнями
энергии носителя заряда зависят от размера квантовой точки как
где ħ — приведённая постоянная Планка, d — характерный размер точки, m — эффективная
масса электрона на точке. Вследствие этого электронные и оптические свойства квантовых точек
занимают промежуточное положение между объёмным полупроводником и дискретной молекулой.
Проще говоря, квантовая точка — это полупроводник, электрические характеристики которого зависят
от его размера и формы. Чем меньше размер кристалла, тем больше расстояние между
энергетическими уровнями. Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже,
испускается фотон; так как мы можем регулировать размер квантовой точки, то мы можем изменять
энергию испускаемого фотона, а значит, мы можем изменять цвет испускаемого квантовой точкой
света. Основное преимущество квантовой точки заключается в возможности высокоточного контроля
над
её
размером,
а
следовательно
и
над
проводимостью,
что
позволяет
создавать флуорофоры разных цветов из одного и того же материала по одной методике.
Квантовые точки разных размеров могут быть собраны в градиентные многослойные нанопленки.
Различают два типа квантовых
точек (по способу создания):
эпитаксиальные квантовые точки;
коллоидные квантовые точки.
Коллоидная
квантовая точка,
покрытая
стабилизатором

8.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
•Широкий спектр поглощения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним
источником излучения.
•Узкий и симметричный пик флуоресценции (без «хвоста» в красной области, как у
органических красителей, полуширина пика флуоресценции 25—40 нм), что обеспечивает чистый
цвет: точки размером 2 нм — голубой, 3 нм — зеленый, 6 нм — красный.
•Высокая яркость флуоресценции (квантовый выход >50 %).
•Высокая фотостабильность.
•Большинство свойств КТ, в том числе цвет излучения, зависит от размеров, формы и материалов, из
которых они изготовлены.
•Квантовой точкой может служить кристалл полупроводника, в котором реализуются квантоворазмерные эффекты вследствие достаточно малого размера. Электрон в таком микрокристалле
чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней
энергии с характерным расстоянием между ними Аналогично переходу между уровнями энергии
атома, при переходе между энергетическими уровнями квантовой точки может излучаться фотон.
Возможно также забросить электрон на высокий энергетический уровень, а излучение получить от
перехода между более низколежащими уровнями (люминесценция). При этом, в отличие от
настоящих атомов, частотами переходов легко управлять, меняя размеры кристалла. Собственно,
наблюдение люминесценции кристаллов селенида кадмия с частотой люминесценции, определяемой
размером кристалла, и послужило первым наблюдением квантовых точек.
•В настоящее время множество экспериментов посвящено квантовым точкам, сформированным
в двумерном электронном газе. В двумерном электронном газе движение электронов
перпендикулярно плоскости уже ограничено, а область на плоскости можно выделить с помощью
затворных металлических электродов, накладываемых на гетероструктуру сверху. Квантовые точки в
двумерном электронном газе можно связать туннельными контактами с другими областями
двумерного газа и изучать проводимость через квантовую точку. В такой системе наблюдается
явление кулоновской блокады.

9.

КОНСТРУКЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
Квантовая точка состоит из ядра и защитной оболочки из материала с более широкой запрещенной
зоной. Она уменьшает дефекты на поверхности ядра, что приводит к повышению квантового выхода
флуоресценции до 90 %, предотвращает деградацию квантовой точки и высвобождение токсичных
ионов кадмия. Материалом ядра могут быть CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, сплавы
CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg; оболочки — ZnS, CdS, ZnSe. У квантовых точек для биомедицинских
исследований есть ещё два слоя: стабилизатор и слой инертных молекул (пептиды, липиды) или
нейтральная гидроксильная оболочка. Стабилизатор — кремниевая, полимерная или силиконовая
оболочка — обеспечивает защиту внутренних структур от агрессивного воздействия окружающей
среды, определяет способность квантовых точек диспергироваться в растворители и возможность
прививки к их поверхности различных биологически активных молекул, которые будут доставлять
квантовые точки к нужным тканям и клеткам. Липиды используются для уменьшения неспецифичного
связывания. Квантовые точки могут быть различной формы и размера, но чаще всего это сферы
диаметром 2—10 нм, и состоят они из 103—105 атомов.
ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
Квантовые точки являются перспективными материалами в медицине, биологии, оптике,
оптоэлектронике, микроэлектронике, полиграфии, энергетике.
Коллоидные квантовые точки являются хорошей заменой традиционных люминофоров, как
органических, так и неорганических. Они превосходят их по фотостабильности, яркости
флуоресценции, а также имеют некоторые уникальные свойства. Оптические свойства этих
нанокристаллов используются в самых неожиданных исследованиях, в которых требуется удобная,
перестраиваемая люминесценция, например в биологических исследованиях. Например, квантовые
точки разных размеров проникают в разные части клеток и окрашивают их в разные цвета.
Квантовые точки всё больше используются в качестве биомаркеров для визуализации в медицине,
например для окрашивания опухолей или аутоиммунных антител, доставки лекарств к нужным
тканям (присоединяя лекарственные вещества к наночастицам, можно более точно нацеливать их на
опухоли).

10.

ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
Ещё недавно о широком применении квантовых точек в электронике речи не шло, но в последние
годы ряд компаний выпустил на рынок продукцию с использованием данных наночастиц. Среди
анонсированных продуктов имеются как экспериментальные образцы, так и массовые изделия.
Компания LG Display ещё в 2010 году создала первые прототипы дисплеев на основе квантовых точек.
В 2015 году TPV Technology разработала совместно с QD Vision и выпустила в продажу первый
потребительский монитор 276E6ADS на базе квантовых точек. В настоящее время жк-панели с
подсветкой на квантовых точках (QD-LED) устанавливают в телевизоры . Существует программа
создания устройств отображения, где сами квантовые точки будут выступать в роли светоизлучателей.
Возможное применение квантовых точек: полевые транзисторы, фотоэлементы, LED, лазерные
диоды. Компания Nexxus Lighting в 2009 году выпустила светодиодную лампу с использованием
квантовых точек.
На основе КТ можно изготавливать покрытия, изменяющие излучение существующих источников
света или солнечного света, что может быть применимо, например, в сельском хозяйстве для
преобразования ультрафиолетового света в красный, который полезен растениям.
Квантовые точки также применяются в гибридных солнечных батареях в качестве материала,
преобразующего солнечную энергию в постоянный электрический ток. Использование квантовых
точек в многослойных солнечных батареях позволяет добиться более эффективного поглощения
солнечного излучения, так как они могут поглощать свет в более широком диапазоне (включая
инфракрасный и ультрафиолетовый), чем традиционные солнечные элементы.
UbiQD, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии , Лос-Аламосская
национальная лаборатория разрабатывают люминесцентный солнечный концентратор (LSC) на
квантовых точках.
Квантовые точки могут входить в состав чернил для защиты документов и ценных бумаг от
фальсификации.
Квантовые точки — один из главных кандидатов для представления кубитов в квантовых вычислениях.
В нефтегазовой отрасли квантовые точки применяются в технологии маркерных исследований
горизонтальных скважин компании GeoSplit.

11.

Физически квантовая точка — частица материала с размером, близким к длине волны
электрона в этом материале (обычно размером 1–10 нм), внутри которой потенциальная
энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким образом, движение электрона
ограничено во всех трех измерениях.
Примерами квантовых точек могут быть:
полупроводниковые гетероструктуры с пространственным ограничением носителей заряда в
трех измерениях, в которых реализуется предельный случай размерного квантования;
изолированные металлические или полупроводниковые наночастицы/наногранулы с
диаметром, удовлетворяющим условию размерного квантования, небольшие (1–10 нм)
молекулы и молекулярные кластеры;
коллоидные
или
нанесенные
на
пористый
носитель
высокодисперсные
частицы полупроводников диаметром 1–30 нм.
Электронный спектр идеальной квантовой точки представляет собой набор дискретных
уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и формально соответствует
электронному спектру одиночного атома. Однако реальная квантовая точка может состоять из
сотен тысяч атомов. Минимальный и максимальный размеры квантовых точек зависят от того,
из каких веществ она создана: например, для системы InAs–AlGaAs минимальный размер
квантовых точек составляет 4 нм, а максимальный размер не должен превышать 30 нм.
Участок поверхности Si(100) с ямкой
диаметром ~100 нм и глубиной 16 нм,
на дне которой находится квантовая
точка - тонкий слой из атомов Ge.
Справа - профиль поперечного сечения
ямки с квантовой точкой шириной ~30
нм и высотой 1.5 нм.

12.

Стадии формирования квантовых точек InAs в матрице GaAs и
соответствующие картины дифракции быстрых электронов
Одним из ожидаемых свойств
лазеров на квантовых точках,
помимо
высокой
характеристической температуры,
является
малая
пороговая
плотность тока. На основном
уровне энергии одной квантовой
точки может находиться не более
двух
электронов,
так
что
максимальная
поверхностная
плотность
носителей
заряда,
которая
может
полностью
заполнить все состояния массива Температурная зависимость
квантовых точек, равна удвоенной пороговой плотности тока первых
поверхностной плотности массива. лазеров на основе одного или
нескольких рядов квантовых точек
В результате исследований
было обнаружено, что
технологически наиболее
простым
способом
существенного (в разы)
увеличения насыщенного
усиления
является
использование
многослойных
массивов
квантовых точек. После
того, как первый ряд
квантовых
точек
сформирован и полностью
покрыт слоем GaAs, так что
восстановлена
гладкая
ростовая
поверхность,
может быть осажден новый
ряд островков. Подобная
процедура может быть
повторена множество раз,
при
этом
возрастание
полной
поверхностной
плотности
массива
квантовых
точек
сопровождается
соответствующим
увеличением насыщенного
усиления

13.

ПРЕИМУЩЕСТВА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
Растворы на основе квантовых точек превосходят традиционные органические и неорганические
люминофоры по ряду параметров, важных для тех областей практического применения, в которых
необходима точная перенастраиваемая люминесценция.
• Фотостабильны, сохраняют флуоресцентные свойства в течение нескольких лет.
• Высокая стойкость к фотовыцветанию: в 100 – 1000 раз выше, чем у органических флуорофоров.
• Высоких квантовый выход флуоресценции – до 90%.
• Широкий спектр возбуждения: от УФ до ИК (400 – 200 нм).
• Высокая чистота цвета из-за высоких пиков флуоресценции (25-40 нм).
• Высокая устойчивость к химической деградации.
Еще одним преимуществом, в особенности для полиграфии, является то, что на основе квантовых
точек можно делать золи – высокодисперсные коллоидные системы с жидкой средой, в которой
распределены мелкие частицы. А значит из них можно производить растворы, пригодные для
струйной печати. Другое не менее важное свойство квантовой точки связано с проявлением
дискретности заряда при протекании электрического тока через замкнутую цепь, включающую КТ.
При уменьшении размеров квантовой точки увеличивается энергия, необходимая для переноса на
нее единичного заряда (вследствие уменьшения емкости КТ пропорционально ее характерному
размеру). Это приводит к явлению осцилляции, то есть колебания тока при протекании через КТ,
период которых определяется переносом единичного заряда в квантовой точке, что открывает путь к
управлению током с точностью до отдельного электрона. Сегодня подобные исследования составляют
отдельное направление — одноэлектронику.