Современная электроника №1/2025

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 17 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2025 ются в зону проводимости фононами так быстро, что не могут возникнуть никакие резонансы. В то же время энергия связи двумерных экситонов внутри квантовой ямы в общем слу- чае в четыре раза больше, чем в объ- ёмном материале. Поэтому квантовые ямы GaAs демонстрируют экситонные резонансы в спектрах поглощения при комнатной температуре. Если стати- ческое электрическое поле приложе- но перпендикулярно плоскости кван- товой ямы, то зоны искривляются, что изменяет профиль потенциала. На движение в плоскости ху потен- циал самой квантовой ямы не влия- ет. В этой плоскости носители заряда могут свободно перемещаться. Одна- ко полная энергия носителей в кванто- во-размерной плёнке складывается из дискретных уровней, связанных с дви- жением в направлении z , и непрерыв- ной компоненты, описывающей дви- жение в плоскости xy . В такой системе электроны при упругом рассеянии могут изменять свой импульс только в плоскости ху . Поэтому в квантово-раз- мерных гетероструктурах появляются дополнительные условия, уменьшаю- щие рекомбинацию и удерживающие носители в активном слое. В резуль- тате стимулируется процесс создания инверсии населённости (ИН). Когда в активной зоне на верхнем энергетиче- ском уровне образуется больше элек- тронов, чем на низком уровне, возни- кает состояние (ИН) с последующим вынужденным когерентным лазер- ным излучением. Более подробно историю создания гетероструктур на основе арсенидов галлия и алюминия можно посмо- треть, например, в обзоре [6]. В начале 1990-х общие теоретические принципы создания лазеров на основе КРЭ-нанокристаллов были более-менее понятны. Однако практическая реали- зация подобных устройств сдержива- лась из-за отсутствия необходимых тех- нологий. Вся сложность создания такой конструкции заключалась именно в разработке надёжных методов получе- ния КРЭ-гетероструктур, требовавших прецизионного наращивания тонкой однородной плёнки на поверхности подложки [7]. Метод химического осаждения из паров металлоорганических соеди- нений (Metalorganic Chemical Vapor Deposition – MOCVD) позволял созда- вать тонкие плёнки КРЭ-кристаллов 2-DOF для гетеролазеров с более низ- кими пороговыми токами. Так, для широкополосных лазерных диодов были получены пороговые плотно- сти токов в диапазоне 160–260 A/cm 2 при значениях внешней дифферен- циальной квантовой эффективности около 70% [8]. Как правило, в более поздних моде- лях лазеров с квантовыми ямами использовались два и больше гетеро- переходов. Идея таких «многослойных» лазеров с квантовыми ямами была отмечена Алфёровым ещё в 1971 году в статье, посвящённой гетерогенным сверхрешёткам (Superlattices) [9]. Упрощённо сверхрешётку мож- но представить как последователь- ность чередующихся слоёв более узкозонного и более широкозонно- го полупроводников, то есть некото- рую последовательность квантовых ям. В сверхрешётке энергетические уровни в отдельных квантовых ямах образуют энергетические «минизо- ны», которыми можно управлять, меняя ширину барьеров. В том же 1971 году коллеги Алфёро- ва из ФТИ имени А.Ф. Иоффе Казари- нов Р.Ф., Сурис Р.А. показали, что про- текание тока в сверхрешётках может быть реализовано за счёт туннелиро- вания через потенциальные барьеры, разделяющие квантовые ямы [10]. Идея заключалась в том, что в слу- чае, когда основное состояние одной ямы совпадает с возбуждённым состо- янием следующей ямы, возможно возникновение стимулированного излучения, обусловленного туннели- рованием оптически возбуждённых носителей из основного состояния одной ямы в возбуждённое состояние следующей, расположенной на более низком энергетическом уровне. При этом интенсивность излучения может многократно возрастать за счёт мно- гократных проходов излучения в кри- сталле гетероструктуры [11]. Полученные в этой работе резуль- таты были использованы в техноло- гии производства лазерных диодов на основе многопроходных р-n гете- роструктур, разработанной в россий- ском НИИФП [12]. Принцип последовательного сое- динения нескольких гетероструктур с квантовыми ямами был на прак- тике реализован в лазерах, полу- чивших название «Multi-Quantum Well Laser – MQWL» (лазер с множе- ственными квантовыми ямами). Дру- гое общее название этого типа лазе- ров – «Quantum-Cascade Lasers – QCL» (каскадный квантовый лазер) [13]. На рис. 5 показана схема работы современного QCL-лазера. Каскадные лазеры используют в качестве активной зоны (АЗ) много- квантовую яму. Инжектированные в АЗ носители, которые не захвачены в одной яме, могут быть захвачены следующей ямой. Это позволяет уве- личить выходную мощность и умень- шить пороговый ток. Изменяя ширину запретных зон и количество кванто- вых ям, можно регулировать как дли- ну волны лазера, так и его мощность. К одной из разновидностей класса MQWL относят лазеры с напряжённы- ми квантовыми ямами. Базовая конструкция лазера с напря- жёнными квантовыми ямами напоми- нает классическую схему ДГС-лазера, предложенную Алфёровым, которая состоит из нескольких тонких слоев GaAs, зажатых между слоями AlGaAs (InGaAs). Использование специаль- ных методов в процессе изготовле- ния подобных гетероструктур позво- ляет создавать напряжение в тонком Рис. 5. Схема работы современного QCL-лазера Зона проводимости Свет Верхний уровень Нижний уровень