Квантові ями . Квантовий дріт, нитки. Квантові точки. Надгратки (стр. 3 из 4)
3.2 Особливість квантових точок
У квантовій точці рух обмежено в трьох напрямках і енергетичний спектр повністю дискретний, як в атомі. Тому квантові точки називають ще штучними атомами, хоча кожна така точка складається з тисяч або навіть сотень тисяч справжніх атомів. Розміри квантових точок (можна говорити також про квантові ящиках) порядку декількох нанометрів. Подібно справжньому атому, квантова точка може містити один або кілька вільних електронів. Якщо один електрон, то це ніби штучний атом водню, якщо два - атом гелію і т.д.
Крім простого нанесення малюнка на поверхню напівпровідника і травлення для створення квантових точок можна використовувати природну властивість матеріалу утворювати маленькі острівці у процесі росту. Такі острівці можуть, наприклад, мимовільно утворитися на поверхні зростаючого кристалічного шару.
Останнім часом в багатьох лабораторіях світу ведуться роботи зі створення лазерів на квантових точках.
Розділ 4. Надгратки
4.1 Види надграток
В останні роки зростає інтерес дослідників, інженерів, технологів до шаруватих структур, що складається з різних напівпровідникових (напівпровідникові надгратки) або магнітних (магнітні мультишари) матеріалів. Напівпровідникові надгратки і магнітні мультишари мають характерні розміри шарів 10 - 1000 нм і їх прийнято називати наноструктурами. Крім напівпровідникових надграток і магнітних мультишарів до наноструктур можна віднести і ряд інших матеріалів: фулерени, пористі кремнієві трубки, деякі біологічні об'єкти. Розрізняють напівпровідникові надгратки, композиційні і леговані надгратки.
Надграткою називається періодична структура, що складається з тонких чергуються в одному напрямку шарів напівпровідників. Період надгратки набагато перевищує постійну кристалічної решітки, але менший довжини вільного пробігу електронів. Така структура має, крім періодичного потенціалу кристалічної решітки, додатковим потенціалом, обумовлений шарами, що чергуються напівпровідників, і який називають потенціалом надгратки. Наявність потенціалу надгратки істотно змінює зонну енергетичну структуру вихідних напівпровідників.
4.2 Фізичні властивості надграток
Напівпровідникові надгратки володіють особливими фізичними властивостями, головні з яких наступні:
• суттєва зміна в порівнянні з вихідними напівпровідниками енергетичного спектру;
• наявність великої кількості енергетичних зон;
• дуже сильна анізотропія (двовимірна);
• придушення електронно-діркової рекомбінації;
• концентрація електронів і дірок у надгратках є перебудовуваною величиною, а не визначається легуванням;
• широкі можливості перебудови зонної структури.
Всі ці особливості напівпровідникових надграток дозволяють вважати ці штучні структури новим типом напівпровідників.
4.3 Технологія виготовлення надграток
Композиційні надгратки, являють собою почергово епітакісально вирощені шари різних за складом напівпровідників з близькими сталими решітки. Історично перші надгратки були отримані для системи напівпровідників GаАs - АlxGa1-xАs [1] Успіх у створенні цієї надгратки був обумовлений тим, що Аl, що має таку ж валентність і іонний радіус, що і Gа, не викликає помітних спотворень кристалічної структури вихідного матеріалу. У той же час Аl здатний створити достатню амплітуду надграткового потенціалу.
По розташуванню енергетичних зон напівпровідників композиційні надгратки поділяються на кілька типів. Напівпровідникова надгратка GаАs - АlxGa1-xАs відноситься до надграток I типу у яких мінімум зони провідності Еc1 і максимум валентної зони Еv1 одного напівпровідника по енергії розташовані всередині енергетичної щілини іншого (рис. 6, а). У надгратках цього типу виникає періодична система квантових ям для носіїв струму в першому напівпровіднику, які відокремлені один від одного потенційними бар'єрами, створюваними в другому напівпровіднику. Глибина квантових ям для електронів ΔЕС визначається різницею між мінімумами зон провідності двох напівпровідників, а глибина квантових ям для дірок - різницею між максимумами валентної зони ΔЕv (рис. 6, а).
Рис. 6 . Розташування країв енергетичних зон в напівпровідниках (зліва) і композиційних надгратках(справа)
У композиційних надгратках II типу (рис. 6, б) мінімум зони провідності одного напівпровідника розташований в енергетичній щілини другого, а максимум валентної зони другого - в енергетичній щілини першого [1]. Енергетичну діаграму надгратки цього типу ілюструє рис. 6, б справа. У цих надгратках модуляція країв зони провідності і валентної зони має один і той же знак. Прикладом надгратки з такою енергетичною структурою є система InxGa1‑xAs – GaSb1-yAsy. До цього ж типу відносяться і композиційні надгратки, у яких мінімум зони провідності одного напівпровідника розташований енергетично нижче, ніж максимум валентної зони іншого (композиційні надгратки II типу з забороненими зонами, що перекриваються). Прикладом такої надгратки може служити система InAs – GaSb.
У легованих надгратках періодичний потенціал утворений чергуванням шарів n-і p-типів одного і того ж напівпровідника. Ці шари можуть бути відокремлені один від одного нелегований шарами. Такі напівпровідникові надгратки називають часто nipi-кристалами. Для створення легованих надграток найчастіше використовують GaAs.
Потенціал надгратки в легованих надгратках створюється тільки просторовим розподілом заряду. Він обумовлений потенціалом іонізованних домішок у легованих шарах. Всі донорні центри в легованих надгратках є позитивно зарядженими, а всі акцепторні центри - негативно зарядженими. Потенціал об'ємного заряду в легованих надгратках модулює краї зон вихідного матеріалу таким чином, що електрони і дірки виявляються просторово розділеними. Відповідним вибором рівня легування і товщини шарів цей поділ можна зробити практично повним.
Важливою особливістю легованих надграток є те, що екстремуми хвильових функцій електронів і дірок зміщені один відносно одного на половину періоду надгратки. Вибором параметрів надгратки це перекриття можна зробити дуже малим, що робить виключно великим рекомбінаційний час життя носіїв струму. Ця обставина дозволяє легко змінювати концентрацію носіїв струму в цих надгратках [3].
Крім композиційних і легованих надграток можливі й інші типи цих матеріалів, що розрізняються споcобом створення модулюючого потенціалу. У спінових надгратках [3] легування вихідного напівпровідникового матеріалу здійснюється магнітними домішками. Періодичний потенціал у таких надгратках виникає при накладенні зовнішнього магнітного поля. Потенціал надгратки може створюватися також періодичної деформацією зразка в полі потужної ультразвукової хвилі або стоячій світлової хвилі [3].
4.4 Енергетична структура напівпровідникових надграток
Фізичні властивості напівпровідникових надграток визначаються їх електронним спектром. Для знаходження електронного спектра необхідно розвязати рівняння Шредінгера для хвильової функції електрона в надгратці
(r) у одно електронному наближені, що містить як потенціал кристалічної решітки V (r), так і потенціал надгратки 
(z): 
(5)Тут z - напрям, перпендикулярний поверхні надгратки (вісь надгратки);
- ефективна маса електрона; Е - повна енергія частинки.Оскільки потенціал надгратки залежить тільки від координати z, що збігається з віссю надгратки, то енергетичний спектр електронів у надгратці різко анізотропний. На рух електронів в площині, перпендикулярної осі надгратки її потенціал не буде здійснювати помітного впливу. У той же час, рух електронів уздовж осі z буде відповідати руху в полі з періодом d.
У загальному вигляді дисперсійне співвідношення для електрона в надгратці
(6), тут j - номер енергетичної мінізони.Оскільки потенціал надгратки періодичний, то енергетичний спектр електрона в напрямку осі надгратки має зонний характер. Так як період надгратки d значно більше постійної кристалічної решітки а, то отримані при цьому надграткові зони (мінізони) являють собою більш дрібне дроблення енергетичних зон вихідних напівпровідників.
Густина електронних станів в напівпровідниковій надгратці істотно відрізняється від відповідної величини в тривимірній електронній системі. На рис. 7. показана залежність щільності електронних станів в надгратці від енергії Е [1]. Інтервал енергії містить три перші мінізони. Ширина кожної з цих мінізон позначена відповідно
E1, E2 і E3. Для порівняння на цьому ж малюнку наведено залежності 
(7) для тривимірного електронного газу (крива 2) і 
(і-ціле) для двовимірного газу електронів (штрихова ступінчаста лінія 3). 
Рис. 7 . Густина електронних станів в надгратці