Современная электроника №1/2025

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 15 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2025 Электроны в КРЭ-структурах, разме- ры которых сравнимы с длиной вол- ны де Бройля, могут занимать толь- ко дискретные разрешённые уровни. Поэтому электронные свойства КРЭ- структур отличаются от известных свойств объёмных образов тех же самых структур. Лазеры на квантовой яме (Quantum Well Laser – QWL) отличаются от рас- смотренных в предыдущей главе лазе- ров с двойной гетероструктурой (ДВГ) главным образом тем, что в гетеро- структуре QWL толщина активной области приближается к длине вол- ны де Бройля. Квантовые плоскости и нанолисты (2-DOF – nanosheets) относятся к дву- мерным наноматериалам, которые представляют собой плоский отрезок кристаллической структуры, состоя- щий из одного слоя атомов или моле- кул определённого вещества, в кото- рых перенос зарядов разрешён только в плоскости xy . В материале квантовой плёнки электроны, находящиеся на самом нижнем энергетическом уров- не, удерживаются в квантовых ямах (Quantum Wells) и не могут переме- щаться в вертикальном направлении. Для квантовой плоскости энергия электрона квантуется и может прини- мать только значения в соответствии с его эффективной массой «me». Поэ- тому каждому дискретному уровню Ei соответствует определённый набор конкретных состояний, отличающих- ся импульсом P x в направлении осей Х и Y . E=E i +(P y +P x ) 2 /2me. Принцип действия полупроводнико- вого лазера с квантовой ямой основан на тех же самых принципах, которые лежат в основе классического ДГС- лазера (ДГС – двойная гетерострукту- ра). Эти вопросы достаточно подроб- но были рассмотрены во второй части статьи. В лазере с квантовой ямой в каче- стве «рабочей прослойки транзистор- ного сэндвича» используется тонкая плёнка из активного компонента гетероструктуры толщиной несколь- ко нанометров и квантово-размерным ограничением 2-DOF. Тема лазеров с КРЭ-гетерострукту- рами стала крайне актуальной для Жореса Алфёрова, когда он в сере- дине 1980-х годов понял глобальное значение этого направления. Во мно- гом это было связано с тем, что быв- ший сотрудник Ленинградского Физ- теха Алексей Екимов, который после защиты кандидатской диссертации перешёл на работу в ГОИ, впервые в мире обнаружил квантово-размерный эффект в полупроводниковых микро- кристаллах, заключённых в стеклян- ной матрице. За это открытие кванто- вых точек Алексей Екимов в 2023 году получил Нобелевскую премию. Успешные работы Алексея Еки- мова продемонстрировали наличие отличной научно-технической базы, существовавшей в начале 1980-х в ФТИ имени Иоффе, которая была столь необходима для изучения КРЭ- структур. Этими проблемами в лаборатории Алфёрова занималась отдельная груп- па во главе с Николаем Леденцовым, которого Алфёров называл одним из лучших своих учеников. В 1986 году Николай Леденцов защитил выпол- ненную под руководством Жореса Алфёрова кандидатскую диссерта- цию на тему «Люминесценция сло- ёв арсенида галлия, арсенида галлия алюминия и гетероструктур с кван- товыми ямами на их основе, полу- ченных молекулярно-пучковой эпи- таксией» [2]. Результаты этой работы были в дальнейшем использованы для создания лазеров на базе одной из наиболее успешных гетероструктур GaAs–AlGaAs, которая остаётся востре- бованной и в наши дни. На рис. 2 пока зана типичная схема гетероструктуры 2D на основе AlGaAs/ GaAs. Важно подчеркнуть, что параметры всех слоёв гетероструктуры выбирают- ся в зависимости от конкретного при- менения в конечном продукте. Верхний слой GaAs со средней тол- щиной около 20 нм предотвращает окисление слоя AlGaAs и обеспечива- ет хороший омический контакт для напряжения смещения. Кроме того, этот слой также влияет на оптические свойства лазера. Например, если верх- ний слой GaAs будет слишком тонким, то это может вызвать плохой электри- ческий контакт и проблемы с окисле- нием. Эта асимметричная конструк- ция проектируется из соображений оптимизации как электрических, так и оптических свойств конкретного проектируемого устройства. Барьерный слой AlGaAs в комби- нации с GaAS образует двумерное квантовое ограничение для перено- са носителей заряда. В случае, когда барьерный слой AlGaAs выбран недо- статочно широким, возможно плохое ограничение носителей и квантовое туннелирование. Базовым элементом 2D-гетеро- структур с квантовыми ямами на основе GaAs/AlGaAs является тонкий слой GaAs (обычно 5–30 нм), зажатый между барьерными слоями AlGaAS (hbc/2). Поскольку GaAs имеет мень- шую запрещённую зону, чем AlGaAs, создаётся потенциальная яма для электронов и дырок. При этом дис- кретные уровни энергии формиру- ются из-за эффекта КРЭ, ограничива- ющего за счёт слоя GaAs перемещение инжектированных носителей заряда. Таким образом, если в гетерострукту- рах 3D-носители свободно перемеща- ются во всех направлениях, то в струк- турах GaAs/AlGaAs на базе квантовых плёнок свободное перемещение носи- телей возможно только в плоскости квантовой ямы. За счёт этого в гетеро- структурах 2D достигается более высо- кая плотность носителей в активной области. Показанная на рис. 2 гетерострук- тура, как правило, выращивается на GaAs-подложке. Следует отметить, что в гетерострукту- рах с квантовым ограничением электро- ныи дырки ведут себя в зоне проводимо- сти (Conduction Band – CB) и в валентной зоне (Valence Band – VB) иначе, чем это происходит в «обычном» ДГС-лазере с объёмной гетероструктурой. В квантовой механике под терми- ном «дырка» (Hole) понимается ква- зичастица с положительным заря- дом, равным элементарному заряду и положительной эффективной мас- сой. Таким образом, формально дыр- ка определяет незаполненную валент- ную связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно рав- ный заряду электрона. Рис. 2. Cхема гетероструктуры 2D  на основе AlGaAs/GaAs