X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение:

Возможности нанотехнологии позволяют изготавливать структуры с очень малыми размерами: укладывать атомы с точностью до одного-двух слоев, создавать искусственные кристаллы, молекулы и даже атомы с заданными свойствами. Такие структуры назвали квантово-размерными, так как электроны в этих структурах ведут себя как квантовые объекты. Можно выделить три основных типа квантово-размерных структур: квантовые ямы, нити и точки. Гетероструктуры с пространственным ограничением носителей заряда во всех трех измерениях (квантовые точки) реализуют предельный случай размерного квантования в полупроводниках, когда модификация электронных свойств материала наиболее выражена.

Одним из наиболее эффективных способов изготовления квантовых точек является молекулярно-лучевая эпитаксия. Было обнаружено, что при пониженных температурах роста при монослойном росте полупроводника с параметрами кристаллической решетки, отличающимися от параметров решетки подложки, можно получить на поверхности роста почти одинаковые по размеру островки. Островки осаждаемого полупроводника пирамидальной формы практически не содержат дефектов и представляют собой квантовые точки.

Расчет интенсивности излучения:

Целью данной работы является исследование спектральных характеристик светоизлучающих диодов и выявление зависимостей интенсивности излучения от разной ширины запрещенной зоны.

В данной работе рассматривалась модель гетероструктуры изображенной на рис.1, которая применяется для создания полупроводниковых лазерных диодов.

В работе использована модель спектра люминесценции светоизлучающих диодов, что позволяет исследовать спектры люминесценции различных гетероструктур и учесть зависимость спектральных характеристик от температуры, ширины запрещенной зоны. Для расчетов имеем следующее устойчивое выражение расчета интенсивности излучения[1, 2, 3]:

где Е_ф - энергия излученного кванта света

Е_g^eff – эффективная ширина запрещенной зоны

Е₀ – параметр экспоненты

Е_g^* – ширина запрещённой зоны в активном слое

Fn – квазиуровень Ферми для электронов

Fp – квазиуровень Ферми для дырок

m – масса электрона

T – температура

k - gостоя́нная Бо́льцмана.

Данное выражение позволяет учесть зависимость интенсивности от многих параметров, что дает возможность нахождения требуемой ширины запрещенной зоны для создания определенных спектральных характеристик. Расчеты проводились для гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN. Описание структуры: на сапфировой подложке и буферном слое GaN (≈ 300 A˚ ) методом гидридной эпитаксии выращен слой n-GaN:Si (t = 5мкм). На нем находится активный тонкий (d ≈ 20 ч 30 A˚ ) слой In_xGa_1-xN. Длина волны в максимуме спектра может изменяться от голубой до зеленой области, если состав x активного слоя изменяется в пределах 0.2−0.43; она зависит и от толщины слоя. Затем следует широкозонный слой p-Al_0.1Ga_0.9 N:Mg (≈1000 A˚ ) — барьер для электронов, необходимый для инжекции дырок и согласования решетки активного слоя с верхним контактным слоем p-GaN:Mg (≈ 0.5мкм).

Так как в работе рассматрены достаточно тонкие слои, то в них наблюдались эффекты квантово-размерного квантования. Поэтому уровни энергии рассчитываются по формуле (2) .

где d – толщина квантовой ямы

n – номер уровня (n – целое число).

На рис. 2 приведены уровни энергии для радиуса квантовой точки 5 нм.

Рис. 2. Уровни энергии для квантовой точки радиусом 5 нм.

Зная уровни энергии можно рассчитать эффективную ширину запрещенной зоны по формуле (3)

где эффективная ширина запрещенной зоны материала без учета квантовой ямы, а уровни энергии рассчитанные по формуле (2) .

Рис. 3. График зависимости ширина запрещенной зоны от толщины квантовой ямы d.

Из рис. 3. видно, что если изменять толщину квантовой ямы от 1.6 нм до 0.1 нм, то эффективная ширина запрещенной зоны материала будет меняться от 1.6 эВ до 1.15 эВ, данное изменение сильно скажется на спектральных характеристиках.

Рис. 4. График зависимости интенсивности излучения гетероструктуры от длины волны , для квантовых ям разной толщиной d. Кривая 1: d = 1 нм, кривая 2: d = 3 нм, кривая 3: d = 20 нм.

Из рис. 4. видно, что при изменении толщины квантовой ямы, меняется длина волны, которую излучает гетероструктура. При d = 1 нм гетероструктура излучает на длине волны 0.8 мкм, а при d = 20 нм излучает на длине волны 1.2 мкм.

Заключение:

Проведены расчеты спектральных характеристик соединения GaAsInN, и показано, что изменяя толщину квантовой ямы можно менять длину волны, на которой излучает гетероструктура.

Литература:

1. Золина, К.Г., Кудряшов, В.Е., Туркин, А.Н., Юнович, А.Э. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами [Текст] / К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович // Физика и техника полупроводников. –1997.– №9. – Т. 31. – С. 1055-1061.

2. Cingolani R., Stolz W., Ploog K. Electronic states and optical transitions in modulation-doped n-type GaInAs/AlInAs multiple quantum wells [Текст] / R.Cingolani, W.Stolz, K.Ploog // Phys.Rev. – 1989. – № 40. – P. 2950-2955.

3. Варданян, Б.Р., Юнович, А.Э. Фотолюминесценция легированных множественных квантовых ям GaAs/AlGaAs при высоком уровне возбуждения [Текст] / Б.Р. Варданян, А.Э. Юнович // Физика и техника полупроводников. –1995.– № 29. – C. 1976-1987.

4. Ж.И. Алферов. Исторический обзор и основные современные тенденции в области полупроводниковых гетероструктур [Текст] / Ж.И. Алферов. Proc. of Nobel Symposium 99, Arild, Sweden, June4–8, 1996 // Physica Scripta 68, 32 (1996); ФТП, 32, 1 (1998).

5. Ченг Л., Плог К. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры [Текст] / Ченг Л., Плог К // Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры - Мир, 1989. - 600 с.

Код для цитирования: Скопировать