Квантовые скважины стали краеугольным камнем современной полупроводниковой технологии, позволив совершить резкие скачки производительности в широком спектре электронных и оптоэлектронных устройств. Используя квантовое запирание в ультратонких слоях, инженеры получают беспрецедентный контроль над носителями заряда, что приводит к более эффективным лазерам, более быстрым транзисторам и высокочувствительным детекторам. Возможность точно проектировать структуры полос на наноуровне имеет разблокированные эксплуатационные характеристики, которые просто недостижимы в объемных полупроводниках, что делает квантовые скважины незаменимыми во всем, от волоконно-оптических коммуникаций до передовых квантовых исследований.

Что такое квантовые колодцы?

Квантовая скважина образуется путем зажатия очень тонкого слоя полупроводникового материала с более узким разрывом между двумя слоями полупроводника с более широким разрывом. Эта структура создает потенциальную скважину, которая ограничивает электроны и дырки областью, как правило, толщиной всего в несколько нанометров - часто меньше, чем длина волны носителей де Бройля. При таком экстремальном пространственном ограничении движение носителей, перпендикулярных слоям, становится квантованным, что приводит к дискретным уровням энергии внутри скважины, а не к непрерывным энергетическим полосам, обнаруженным в объемном материале.

Ключ к пониманию квантовых скважин лежит в поведении носителей в одномерной потенциальной скважине. Решая уравнение Шредингера для конечной глубины прямоугольной скважины предсказывает лестницу разрешенных энергетических состояний для электронов и дырок. Число и расстояние этих состояний напрямую зависят от ширины скважины и глубины скважины (определяется смещением полосы между двумя материалами). Тонкие скважины производят большие энергетические разделения между квантованными состояниями, давая инженерам мощную настраивающую ручку: выбирая толщину скважины во время эпитаксиального роста, они могут установить длину волны излучения или поглощения устройства на точную цель.

Современные квантовые скважины обычно изготавливаются с использованием молекулярной пучковой эпитаксии (MBE) или металлорганического химического осаждения паров (MOCVD), методов, которые позволяют контролировать толщину слоя на монослойном уровне. Системы обычного материала включают арсенид галлия (GaAs) / арсенид алюминия галлия (AlGaAs) для ближнего инфракрасного применения, фосфид индия (InP) / арсенид галлия индия (InGaAs) для телекоммуникационных длин волн и нитрид галлия (GaN) / нитрид индия галлия (InGaN) для видимых и ультрафиолетовых излучателей. Напряженные квантовые скважины, где константы решетки соседних слоев слегка несопоставимы, могут дополнительно модифицировать структуры полосы и улучшать производительность устройства путем введения дополнительного удержания или модификации несущих эффективных масс.

Как Quantum Wells повышает производительность устройства

Квантовые скважины улучшают полупроводниковые устройства с помощью нескольких взаимосвязанных физических механизмов.Сочетание квантового удержания, модифицированной плотности состояний и усиленного перекрытия носителей дает преимущества, которые особенно выражены в лазерах, транзисторах и детекторах.

Повышение эффективности за счет плотности состояния инженерии

В объемных полупроводниках плотность электронных состояний пропорциональна квадратному корню энергии. Это означает, что впрыскиваемые носители распространяются по широкому спектру энергий, снижая эффективность радиационной рекомбинации, поскольку многие носители находятся в состояниях, далеких от края полосы. В квантовой скважине плотность состояний становится пошаговой, с постоянным значением на каждом краю поддиапазона. Это задержание концентрирует носители на энергиях вблизи края полосы, резко увеличивая вероятность радиационной рекомбинации. Для светоизлучающего диода (LED) или лазерного диода это напрямую приводит к более высокой внутренней квантовой эффективности — больше впрыскиваемых электронов и дырок рекомбинируют для получения фотонов, а не теряются для нерадиационных процессов, таких как генерация тепла.

Нижние пороговые токи в полупроводниковых лазерах

Поэтапная плотность состояний в квантовой скважине также снижает пороговую плотность тока, необходимую для достижения инверсии населения в лазерных диодах. В массивном лазере носители должны заполнить широкую параболическую плотность состояний, прежде чем усиление может превысить потерю. В квантовом скважинном лазере активную область можно сделать очень тонкой (часто одиночная скважина 5-10 нм), при этом обеспечивая достаточный прирост. Это уменьшает объем материала, который должен быть электрически накачан, понижая пороговый ток на порядки по сравнению с более ранними лазерами с двойной гетероструктурой. Современные квантовые скважинные лазеры могут достигать пороговых токов ниже 1 мА для устройств, используемых в волоконно-оптических приемопередатчиках, что позволяет передавать данные малой мощности, высокоскоростной передачи данных. Распределенные лазеры обратной связи (DFB), включающие несколько квантовых скважин, являются основой глобальной инфраструктуры связи.

Улучшенная скорость и более высокая частота работы

Квантовые скважины улучшают высокочастотную производительность транзисторов через два первичных механизма: снижение времени транзита несущей и улучшение переноса канала. В транзисторах с высокой электронно-мобильностью (HEMT) квантовая скважина образуется на границе между барьерным слоем с более широкой полосой пропускания (например, AlGaAs или InAlAs) и более узким полосовым каналом (GaAs или InGaAs). Электроны от ионизированных доноров в переносе барьера в канал, образуя двумерный электронный газ (2DEG) с очень высокой подвижностью, поскольку носители физически отделены от допант-ионов, которые в противном случае разбросали бы их. Эта технология модуляции допинга дает электронные подвижности, превышающие 10 000 см2 / (V·s) при комнатной температуре в системах на основе GaAs и более 200 000 см2 / (V·s) при криогенных температурах. Полученные устройства могут работать на частотах хорошо в терагерцовый диапазон, что делает их необходимыми для миллиметровых волн связи, радара

Индивидуальные оптические свойства

Оптические характеристики квантовой скважины — коэффициент поглощения, длина волны излучения и сила осциллятора — непосредственно настраиваются с помощью геометрических и материальных параметров. Энергия квантования сдвигается как h2/m*L2, где Lm* является эффективной массой. Изменяя ширину волны излучения всего на несколько нанометров, инженеры могут переносить длину волны излучения на сотни нанометров. Это позволяет изготавливать лазеры и фотоприемники в широком спектральном диапазоне с использованием одной и той же системы базового материала. Например, InGaAs квантовые скважины с различными композициями и толщинами индия могут покрывать длины волн от 0,9 мкм до более 2 мкм, покрывая ключевые окна передачи оптических волокон. Кроме того, использование множества квантовых скважин (MQW) стеков увеличивает общий

Ключевые приложения Quantum Wells

Уникальные свойства квантовых скважин позволили получить широкий спектр коммерческих и научных применений. В следующих разделах подробно описаны наиболее эффективные технологии, которые полагаются на квантовые структуры скважин.

Полупроводниковые лазеры для оптических коммуникаций

Квантовые скважинные лазеры являются доминирующим источником света в современных волоконно-оптических коммуникациях. Крайние лазеры с множественными квантовыми скважинами InGaAsP/InP обеспечивают высокую мощность и узкую ширину линии, необходимую для мультиплексирования с плотным разделением длин волн (DWDM). Вертикально-полосные лазеры с поверхностным излучением (VCSELs), которые используют квантовые скважины в активной области, зажатые между распределенными отражателями Брэгга, предлагают низкие пороговые токи, круговые профили луча и простоту тестирования на пластине. VCSEL теперь питают каналы передачи данных с коротким охватом в центрах обработки данных со скоростью до 100 Гбит/с на канал. Продолжающаяся разработка квантово-точечных лазеров, которые можно считать крайним случаем нулевого измерения, еще больше повышает производительность с точки зрения стабильности температуры и снижения шума.

Высокоэлектронно-мобильные транзисторы (HEMT)

HEMT используют 2DEG, сформированный на интерфейсе квантовой скважины, для достижения наивысшей комбинации скорости и низкого шума среди транзисторных технологий. AlGaAs / GaAs HEMTs были впервые разработаны в 1980-х годах и быстро нашли применение в спутниковой связи и приемниках. Совсем недавно, HEMT на основе InP, использующие каналы InGaAs, продемонстрировали частоты отключения (]f T T ), превышающие 600 ГГц, что позволяет получать субмиллиметровую визуализацию, автомобильный радар на 77 ГГц и связь 5G / 6G. HEMTs с нитридом галлия (GaN) HEMTs, которые полагаются на 2DEG, сформированный на интерфейсе AlGaN / GaN, революционизируют силовую электронику, обеспечивая высокие напряжения поломки, высокую плотность тока и быстрые скорости переключения. GaN HEMTs теперь стандартны в усилителях мощности RF для сотовых базовых станций и

Фотоприемники и инфракрасная визуализация

Квантовые инфракрасные фотоприемники (QWIP) обеспечивают чувствительное обнаружение в широком диапазоне инфракрасных длин волн, от около 3 мкм до более 20 мкм. В отличие от объемных фотопроводников, QWIP используют межполосное поглощение — фотоны возбуждают электроны из одного квантованного состояния в скважине в более высокое состояние или в континуум. Выбирая ширину скважины и барьерную композицию, пиковая длина волны обнаружения может быть точно адаптирована. Фокальные плоские массивы QWIP с длиной волны до 1024×1024 пикселей используются в тепловизионной визуализации для защиты, безопасности и мониторинга окружающей среды. Хотя иногда требуется криогенное охлаждение, QWIP предлагают преимущества в однородности, масштабируемости и стоимости по сравнению с детекторами теллурида ртутного кадмия (MCT). Квантовые каскадные детекторы, которые тесно связаны с QWIP, но работают в фотоэлектрическом режиме, устраняют необходимость напряжения смещения и уменьшают темный ток.

Квантовые каскадные лазеры (QCLs)

Квантовые каскадные лазеры представляют собой уникальное применение многоквантовых структур, где излучение света достигается через межполосные переходы в полосе проводимости, а не межполосную рекомбинацию. Активная область QCL состоит из десятков или сотен повторяющихся квантовых слоев скважин / барьеров (называемых «каскадом»), каждый из которых спроектирован так, что электроны каскадируют по лестнице уровней энергии, испуская фотон на каждом шаге. Эта конструкция позволяет QCL покрывать очень длинные длины волн (от ~ 3 мкм до > 100 мкм), которые трудно достичь с помощью обычных межполосных лазеров. QCL в настоящее время широко используются в датчике следов газа, мониторинге загрязнения, химической идентификации и оптической связи в свободном пространстве. Продемонстрирована работа комнатной температуры непрерывной волны, что делает их практичными для портативных спектрометров и атмосферных датчиков в воздухе.

Высокоэффективные светодиоды и дисплеи

Видимые и ультрафиолетовые светодиоды полагаются на квантовые скважины в активной области для ограничения носителей и усиления радиационной рекомбинации. В системе InGaN/GaN для достижения яркого синего и зеленого излучения, которое лежит в основе белого светодиодного освещения (по захватывающим желтым люминофорам) и полноцветных дисплеев. Квантово-ограниченный эффект Старка в высокополярной (0001) плоскости GaN может снизить эффективность при высоких токах («эффективность сужается»), но оптимизированные конструкции скважин и более продвинутые структуры, такие как квантовые точки, смягчают эту проблему. Микро-LED-дисплеи, которые используют массивы крошечных квантовых скважинных светодиодов, разрабатываются для следующего поколения дополненной реальности и экранов прямого обзора с ультравысокой яркостью и разрешением.

Будущие перспективы

Продолжающаяся эволюция квантовой технологии скважин обусловлена поиском более высокой производительности, более низкой стоимости и новых функциональных возможностей.Несколько новых направлений обещают расширить охват квантовых скважин на неизведанную территорию.

Новые материалы: 2D полупроводники и другие

Ультратонкие двумерные материалы, такие как монослойные дихалькогениды переходных металлов (TMD, например, MoS2, WS2, WSe2) естественным образом образуют квантовые скважины в вертикальном направлении. Их атомарно тонкая природа обеспечивает экстремальное удержание без необходимости решетчатых барьеров, открывая возможности для гетероструктур, состоящих из сложенных слоев ван-дер-Ваальса. Эти материалы проявляют сильные экситонные эффекты и большие энергии связывания, что делает их привлекательными для экситонных устройств комнатной температуры, долинтроники и сверхбыстрых фотоприемников. Исследователи также изучают интеграцию 2D-материалов с обычными квантовыми скважинами III-V для объединения сильных сторон обеих платформ.

Топологические и трансмиссионные квантовые скважины

Топологические изоляторы (например, квантовые скважины HgTe или тонкие пленки Bi2Se3) демонстрируют защищенные граничные состояния, которые могут обеспечить бесдиссипацию транспорта и надежные квантовые вычислительные операции. Стройная инженерия обычных квантовых скважин - например, с использованием сильно несоответствующих подложек, таких как GaAs на Si - может изменять выравнивания полос и вводить новые физические эффекты. Стойкие квантовые скважины уже используются в некоторых лазерных конструкциях для улучшения дифференциального усиления, но новые подходы, такие как «цифровые сплавы» и композиционная классификация, предлагают еще более тонкий контроль над потенциалом удержания.

Квантовая информация и фотоника

Квантовые скважины исследуются как детерминированные однофотонные источники и запутанные фотонные излучатели. Тщательно проектируя размеры скважин и связывая две скважины через барьер (двойные квантовые скважины), можно генерировать пары поляризованных фотонов через биэксцитон-экситоновые каскады. Хотя квантовые точки в настоящее время обеспечивают более высокую точность для одиночных фотонов, квантовые скважины обеспечивают более масштабируемую платформу для интегрированной квантовой фотоники. Кроме того, квантовые скважины на основе кремния (SiGe / Si) изучаются для спиновых кубитов, используя длительные времена когерентности кремния.

Терагерц и плазмонные устройства

Терагерцовый зазор (0,1-10 ТГц) остается границей, где квантовые скважинные устройства могут оказать значительное влияние. Терагерцовые квантовые каскадные лазеры (THz QCLs) на основе GaAs/AlGaAs достигли выходных мощностей, превышающих 1 Вт в импульсном режиме, хотя они по-прежнему требуют криогенного охлаждения. Активные исследования сосредоточены на работе комнатной температуры с использованием новых материальных систем, таких как InGaAs/GaAsSb или компенсированные штаммом конструкции, а также сцепление QCL с плазмонными волноводами для усиления взаимодействия света и луча. Плазмонические квантовые скважины также могут служить ультракомпактными модуляторами и переключателями для оптических межсоединений на чипе.

Заключение

Квантовые скважины уже произвели революцию в полупроводниковой электронике и фотонике, обеспечив проверенную платформу для достижения производительности, которая была невозможна с объемными материалами. Их способность концентрировать носители в двух измерениях, адаптировать уровни энергии с точностью до нанометра и отделять носители от источников рассеяния позволила лазерам, которые управляют Интернетом, транзисторам, которые усиливают сигналы на краю спектра, и детекторам, которые видят невидимое. По мере продвижения материаловедения и нашего понимания физики низких измерений, квантовые скважины будут продолжать оставаться основополагающим строительным блоком для устройств следующего поколения, от квантовых компьютеров до терагерцовых изображений. Инженеры и ученые-материалисты, исследующие границы квантовых исследований скважин, вероятно, раскроют новые явления и приложения, которые будут формировать будущее технологий на десятилетия вперед.