Квантовые структуры
Для доказательства обратимся к обоснованиям и истории развития нового направления технологий, основанных на квантово-размерных эффектах (КРЭ) и 3D-синтезированных квантово-размерных структурах (КРС). Названные структуры изучаются новой отраслью химической науки — супрамолекулярной химией (химия за пределами молекулы). Предметами исследований этой отрасли являются межмолекулярные взаимодействия, особые взаимодействия между фрагментами супермолекулярных (очень больших) структур, природа связи в ансамблях наночастиц и т.п.
Квантовые структуры могут быть получены посредством следующих технологических процессов:
нанопроизводством на сканирующих зондовых установках;
коллоидными химическими средствами;
управляемым затвердеванием в процессе эпитаксиального роста;
флуктуацией размерами в условных формирования квантовых колодцев.
Укладывая атомы
Физики уже накопили большой опыт в разработке приборов, действие которых основано на квантово-механических принципах. Укладывая атомы с точностью до одного-двух слоев, можно создавать искусственные кристаллы, молекулы и атомы с заданными свойствами. Такие полупроводниковые структуры имеют размеры порядка нескольких нанометров. Можно выделить несколько основных типов микроструктур: квантовые ямы, нити, точки, сверхрешётки.
Член-корреспондент РАН Я.Е.Покровский (ИРЭ РАН) так характеризует квантово-размерные структуры (конденсированные среды): «…при рассмотрении электронных процессов в конденсированных средах наиболее существенна квантовая размерность электронной системы. Критерием здесь является соотношение между де-бройлевской длиной волны электрона L и размерами исследуемого объекта D. Если L
Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении, — это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника InSb впервые наблюдались эффекты размерного квантования.
В настоящее время квантовые эффекты наблюдают на гетероструктурах (контакты между п/п с различной шириной запрещенной зоны). На таком контакте края энергетических зон испытывают скачки, ограничивающие движение носителей и играющие роль стенок квантовой ямы или квантовые точки.
Квантовые ямы
Квантовые ямы создают, помещая тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию энергии поперечного движения. В то же время в двух других направлениях движение электронов будет свободным, поэтому можно сказать, что электронный газ в квантовой яме становится двумерным. Таким же образом можно приготовить и структуру, содержащую квантовый барьер, для чего следует поместить тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной между двумя полупроводниками с узкой запрещенной зоной.
Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити)
В такой структуре два направления (y и z) очень малы, следовательно, энергетический спектр в каждом направлении можно описать формулой En = (hn/a)2/8m, где a — толщина пленки в данном направлении, т.к. в этом направлении образуется потенциальная яма. В оставшемся направлении (x) электроны могу передвигаться свободно. Образованную потенциальную яму надо считать бесконечно глубокой, следовательно, En должны быть малы по сравнению с действительной глубиной ямы Ф. Данное условие приводит к толщине нити порядка нанометров. Полная энергия носителей в квантово-размерной нити, аналогично тонким пленкам, носит смешанный дискретно-непрерывный спектр: E = Enm + px 2/2m, где px – компонента импульса в направлении нити (x).
Структуры с нуль-мерным электронным газом (квантовые точки)
В такой структуре все направления (x,y и z) очень малы, следовательно, энергетический спектр в каждом направлении можно описать формулой En = (hn/a)2/8m, где a — толщина пленки в данном направлении, т.к. в этом направлении образуется потенциальная яма. При синтезе потенциальных ям методом управляемого затвердевания пленки материала А, выращенного на субстрате, созданном из материала В, можно производить острова А, т. к . разница между атомными размерами А и В достаточно велика. Примеры А/В пар включают InAs|GaAs и InP|GaInP.
Если остановить металлоорганическое химическое выпаривание или молекулярно-лучевой эпитаксический рост сразу перед объединением островов, можно получить удивительно универсальный набор точек материала А. Образованную потенциальную яму надо считать бесконечно глубокой, следовательно, En должны быть малы по сравнению с действительной глубиной ямы Ф. Данное условие приводит к размеру точки порядка нанометров. Полная энергия носителей квантовой точки также носит смешанный дискретно-непрерывный спектр: E = Enml. Такие структуры особенно интересны тем, что их свойства аналогичны свойствам дискретного атома, поэтому их иногда называют искусственными атомами.
Ещё в 1968 г. предсказывалось: «Размерное квантование может также приводить к заметному увеличению ширины запрещенной зоны в полупроводниках и к переходу полуметалла в диэлектрик, к появлению резонансного поглощения света в пленках, к осцилляционной зависимости сопротивления пленки от продольного электрического поля и т. д.»
Кроме того, более 10 лет назад на основе численного решения нестационарного уравнения Шредингера показана возможность исследования генерации гармоник в туннельно-связанных квантовых ямах. При этом резонансный туннельный диод — это первое реальное устройство с квантовой ямой и барьерами. Он был создан Лео Эсаки и Чангом в 1974 году. Идея прибора была предложена раньше. Это сделал Л. Иогансен в 1963 году.
Квантово-размерные структуры на основе гетероструктур (ГС) In0.2Ga0.8As/GaAs характеризуются числом квантовых ям (ЧКЯ), толщиной квантовой ямы (ТКЯ), толщиной барьерного слоя (ТБС) и толщиной покрывающего слоя (ТПС). В 90-е годы ХХ века появились тепловизионные приборы на QWIP-матрицах с высокой технологичностью, воспроизводимостью, однородностью параметров по элементам с форматом 256х256, 320х240, 320х256, 640х512 и др. Чувствительность довольно высока: у лучших приборов NETD даже ниже 10 мК, типовых — 20 мК, средних — 35 мК. QWIP-матрицы обладают способностью управления спектральной чувствительностью и возможностью перейти в будущем от гибридных структур фокальных матриц к монолитным.
Расширение области чувствительности этих фокальных фотоприемных матриц, первоначально названных QD оптоэлектронными приборами (наноструктуры с так называемыми квантовыми точками — quantum dots), получившими в последствии название QWIP матрицы, — матрицы ИК-фотоприемников с множественными квантовыми ямами (структура AlGaAs/GaAs), осуществлялось постепенно.
Отработка матриц ведется по пути расширения диапазона чувствительности ее элементов и совершенствования параметров чувствительности по ряду технологических направлений. Создание комплексированных систем расширенного диапазона ИК и терагерцового видения сталкивается с проблемной задачей совмещения изображений двух поддиапазонов, дифракционные пределы которых отличаются на порядок. Существует алгоритм и принцип построения комплексированных систем, в которых за счет разделения потоков инфракрасного излучения и субмиллиметрового диапазонов чувствительности удается реализовать получение совмещенных изображений, формируемых в двух областях чувствительности матричного квантового приемника излучения, с реализацией режима сверх разрешения в дальнем субмиллиметровом диапазоне.
Сверхрешетки
О возможности построения матричных фотоприемников, чувствительных как в ИК, так и в терагерцовом диапазонах спектра электромагнитных колебаний (ЭМК), писали как зарубежные, так и российские исследователи в девяностых годах XX века. Первоначально наибольший интерес вызывали сверхрешетки — многослойные периодические гетероструктуры с чередующимися слоями полупроводников толщиной 1–10 нм.
Наиболее простой и совершенной структурой здесь остаются сверхрешетки GaAs/AlGaAs, хотя создание сверхрешеток на основе других комбинаций полупроводников А3В5, А2В6 и напряженных слоев Ge-Si достаточно хорошо освоено. В таких структурах потенциал с периодом сверхрешетки d приводит к размерному квантованию электронного спектра и возникновению узких мини зон в электронной и дырочной зонах, соответственно. Фотоприемники на основе квантово-размерных эффектов (КРЭ), по сравнению с другими аналогичными устройствами, обладают таким уникальным свойством, как возможность варьирования области их спектральной чувствительности путем изменения ширины квантовой ямы (которая определяется толщиной слоя узкозонного полупроводника и выступает в качестве параметра размерности) и ее глубины, зависящей от величины разрыва краев зоны проводимости широкозонного и узкозонного п/п материалов.
Это свойство открывает возможность в рамках единого процесса на основе двух пар п/п материалов с различной шириной запрещенной зоны получать монолитные матрицы фоточувствительных элементов (ФЧЭ) по крайней мере с двумя различными окнами (областями спектральной чувствительности). При этом выбор пар материалов не имеет принципиального значения.
Важным направлением отработки таких технологий при создании гетероэпитаксиальных структур является отработка принципов создания квантовых точек и квантовых колодцев с управляемым наноразмерным синтезом самих точек в общей структуре решеточной конструкции. Флуктуации размеров в квантовых ямах нарушает периодичность в двух расширенных направлениях, таким образом создаются образования точек с отличными друг от друга спектральными свойствами. Управление формой и размером достаточно сложно, но затраты оправдываются т.к. этим достигаются чрезвычайно точные спектроскопические черты. Методом МЛЭ, самым низкотемпературным из существующих методов эпитаксии, на основе гетеропары GaAs-AlAs удается получить резкие границы гетеропереходов, локализацию легирующей примеси в заданных активных слоях, почти идеальное согласование параметров решеток и, как следствие, относительно высокое структурное совершенство эпитаксиальных слоев КРС.
Фотопроводимость в КРС определяется переходами носителей заряда (электронов и дырок, находящихся на дне КЯ) в возбужденное состояние (когда они находятся над верхом ямы, над барьером) с последующим их дрейфом во внешнем электрическом поле. При таком возбуждении поглощается фотон падающего излучения. Коэффициент поглощения в КРС для относительно глубоких квантовых ям может в 100 раз превосходить поглощение, наблюдаемое в примесных полупроводниках. Наличие потенциальных барьеров в КРС препятствует протеканию сквозного темнового тока и позволяет варьировать концентрацию легирующей примеси в широких пределах, достигая значений, соответствующих металлической проводимости.
QWIP-матрицы
Характерно, что для квантовых приемников, какими являются QWIP-матрицы, обычные принципы взаимодействия падающего излучения с чувствительными элементами кардинально отличаются от хорошо известных тепловых приемников излучения. Взаимодействие излучения происходит не на волновом принципе, а на принципе взаимодействия с фотонами (вплоть до единичных). Квант излучения выбивает из экситона квантовой ямы электроны, которые далее транспортируются по полосам проводимости на схемы считывания. По этой причине для повышения фоточувствительности матрицы излучение принимается не по нормали падения, а оно заводится через подложку. Технологически добиваются решения такой задачи путем нанесения призменных дифракционных решеток по разделяющим линиям между квантовыми колодцами.
В России исследования по созданию матричных приемников излучения на КРС в последние годы и годы прошедшего десятилетия проводятся интенсивно. Более того, имеются даже коммерческие предложения по интегральным матричным фотоприемным модулям на основе МСКЯ GaAs/AlGaAs с In столбами разработки Института Физики Полупроводников СО РАН. Размер матрицы — 320х256 элементов. Однако настоящего промышленного выхода добились западные и межконтинентальные фирмы и корпорации, среди которых наибольших успехов достигла корпорация FLIR System.
В настоящее время производственные мощности компании FLIR Systems сосредоточены на четырех предприятиях — в США они располагаются в Портлэнде, Бостоне и Санта-Барбаре, плюс завод в Стокгольме (Швеция). В 2003 году в состав FLIR Systems вошла компания Indigo Systems — ведущий разработчик и поставщик широкого спектра компонентов систем тепловидения, включая охлаждаемые и неохлаждаемые детекторы, базовые компоненты камер и готовые камеры.
С.Г. Мельников, ФГУП НПК «ВНЦ ГОИ им С.И.Вавилова»
