ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

КВАНТОВЫЕ НИТИ И КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ

Из раздела 3.3 видно, что улучшение оптических характеристик, полу­чаемое при переходе от объемного полупроводника к соответствующим по­лупроводниковым гетероструктурам с КЯ, связано в основном с проявле­нием квантового ограничения, обусловленного тем, что один из размеров изготавливаемой полупроводниковой структуры оказывается сравнимым с длиной волны де Бройля. Поэтому естественно расширить такой подход

-if

Рис. 3.31 Расчетные зависимости коэффициента усиления от длины волны излучения при плотности инжектированных электронов N — 3 • 1018 см-3 для объемного полупроводника Оа0,471п0>51А8 и для квантовой ямы шириной 10 нм, квантовой нити с размерами 10 нм х 10 нм и квантовой точки с размерами 10 нм х 10 нм х 10 нм в Оа0>471п0 51Аз/1пР (с разрешения, из [19])

И рассмотреть две других возможных структуры с квантовым ограниче­нием, а именно квантовых нитей (англ. quantum wires) и квантовых точек (англ. quantum dots), которые изготавливаются таким образом, что два или все три их характерных размера становятся сравнимыми с дли­ной волны де Бройля (рис. 3.30а).

Как и в случае КЯ, принципиальная разница между этими квантово-ог - раниченными структурами и объемными соединениями обусловлена различ­ным видом плотности состояний. Не входя здесь в детали (более подробное описание см. в [18]), приведем на рис. 3.306 качественный характер зависи­мости плотности состояний от энергий электронов для объемного полупро­водника и для полупроводниковых структур с квантовыми ямами, кванто­выми нитями и квантовыми точками. Используя эти разные виды плотности состояний, можно, применив тот же подход, что и в случае КЯ, рассчитать ожидаемый коэффициент усиления. Здесь этого делать не будем, а в качест­ве характерного примера ограничимся показом на рис. 3.31 зависимостей

А) Планарная линейка из квантовых нитей.

Б) Планарная матрица

Квантовая нить Квантовая точка из квантовых точек

Ожидаемого коэффициента усиления в веществе от длины волны излучения для структуры Оа0>471п0>51А8/1пР (Оа0 471п0>51А8 представляет здесь полупро­водник с квантовым ограничением). На рисунке приведены значения коэф­фициента усиления в веществе для объемного полупроводника, для кванто­вой ямы шириной 10 нм, для квантовой нити с размерами 10 нм х 10 нм и для квантовой точки с размерами 10 нм х 10 нм х 10 нм — при одной и той же кон­центрации инжектированных электронов (ТУ = 3 • 1018см_3) [19]. Расчетные концентрации прозрачности для объемного полупроводника, квантовой ямы и квантовой нити примерно одинаковы (А^г = 1,3 • 1018 см-3), тогда как для кван­товой точки эта концентрация немного выше (Л^г = 1,8 • 1018 см-3). В соответ­ствии с обсуждавшимися ранее свойствами структур с квантовыми ямами, видно, что при переходе от объемного полупроводника к квантовой яме, от квантовой ямы к квантовой нити и от квантовой нити к квантовой точке коэффициент усиления возрастает. Ширина полосы усиления при тех же переходах от структуры к структуре, наоборот, уменьшается.

В качестве активных сред лазеров структуры с квантовыми нитями и квантовыми точками будут, по-видимому, использоваться в виде планар­ных линеек и матриц — типа тех, что изображены на рис. 3.32а и 3.326. Значительные технологические проблемы (связанные с необходимостью обеспечить высокую плотность упаковки, низкий уровень размерных флук­туаций и низкий уровень плотности дефектов) пока еще затрудняют массо­вое производство структур на основе квантовых нитей и квантовых точек с хорошими оптическими характеристиками. Если эти трудности будут пре­одолены, то появятся полупроводниковые лазерные материалы с более низ­кими пороговыми характеристиками, значительно более высокими диф­ференциальными коэффициентами усиления и узкими ширинами полосы усиления.

В главе 3, по сравнению с предшествующей, посвященной простым ато­марным системам, были рассмотрены более сложные случаи молекул и по­лупроводников, свойства которых обсуждались достаточно детально. Как показывает проведенное рассмотрение, понимание оптических свойств этих веществ требует достаточно подробного описания их физических свойств. Такое описание было ограничено здесь наиболее простыми аспектами. Одна­ко с феноменологической точки зрения, как будет видно в главах 7 и 8, для предсказания поведения лазера необходимо знание только нескольких фи­зических параметров, а именно:

■ длины волны перехода и ширины полосы усиления;

■сечения перехода или, для полупроводников, дифференциального ко­эффициента усиления и концентрации носителей при условии прозрач­ности;

■времени жизни в верхнем состоянии или, для полупроводников, посто­янной времени электрон-дырочной рекомбинации.

По существу, это наиболее важные физические параметры среди тех, что обсуждались в предшествующей и настоящей главах.