Введение

Понятие в квантовой механике

Квантовая яма — это потенциальная яма с только дискретными значениями энергии. Классическая модель, используемая для демонстрации квантовой ямы, заключается в ограничении частиц, которые изначально могли свободно перемещаться в трех измерениях, до двух измерений, вынуждая их занимать плоскую область. Эффекты квантового ограничения проявляются, когда толщина квантовой ямы становится сопоставимой с длиной волны де Бройля носителей (как правило, электронов и дырок), что приводит к энергетическим уровням, называемым "энергетическими субполосами", то есть носители могут иметь только дискретные значения энергии. Концепция квантовой ямы была предложена в 1963 году независимо Гербертом Крёмером и Жоресом Альферовым и Р. Ф. Казариновым.

История

Полупроводниковая квантовая яма была разработана в 1970 году Эсаки и Цу, которые также изобрели синтетические сверхрешетки. Они предположили, что гетероструктура, состоящая из чередующихся тонких слоев полупроводников с различными ширинами запрещенной зоны, должна проявлять интересные и полезные свойства. С тех пор значительные усилия и исследования были направлены на изучение физики систем квантовых ям, а также на разработку квантовых приборов. Развитие квантовых приборов во многом обусловлено прогрессом в технологиях выращивания кристаллов. Это связано с тем, что квантовые приборы требуют структур высокой чистоты с минимальным количеством дефектов. Поэтому точный контроль над ростом этих гетероструктур позволяет создавать полупроводниковые приборы с очень точно настроенными характеристиками. Теоретические разработки в области квантовых приборов привели к значительному прогрессу в производстве и эффективности многих современных компонентов, таких как светодиоды и транзисторы. Сегодня такие приборы широко распространены в современных мобильных телефонах, компьютерах и многих других вычислительных устройствах.

Изготовление

Квантовые ямы формируются в полупроводниках, когда материал, такой как арсенид галлия, помещается между двумя слоями материала с большей шириной запрещенной зоны, например, арсенида алюминия. (Другие примеры: слой нитрида индия-галлия, расположенный между двумя слоями нитрида галлия.) Эти структуры могут быть выращены методами молекулярно-лучевой эпитаксии или химического осаждения из газовой фазы с контролем толщины слоя до монослоев. Тонкие металлические пленки также могут поддерживать квантовые состояния ям, в частности, тонкие металлические слои, выращенные на металлических и полупроводниковых поверхностях. Вакуумный металл-полупроводниковый интерфейс ограничивает электрон (или дырку) с одной стороны, а в общем случае – абсолютным энергетическим зазором с полупроводниковыми подложками или проекционным энергетическим зазором с металлическими подложками. Существует три основных подхода к выращиванию QW-материальных систем: с согласованием решеток, со сбалансированным напряжением и с напряжением. Система с согласованием решеток: в системе с согласованием решеток колодец и барьер имеют близкие значения постоянной решетки к постоянной решетки подложки. Характерной особенностью сверхрешеток является то, что барьеры между ямами достаточно тонкие для взаимодействия соседних ям. Периодические структуры, состоящие из повторяющихся квантовых ям с барьерами, слишком толстыми для взаимодействия соседних волновых функций, называются многослойными квантовыми ямами (MQW).

Термоэлектрические

Квантовые ямы показали перспективность в области сбора энергии в качестве термоэлектрических устройств. Утверждается, что их легче изготавливать, и они обладают потенциалом для работы при комнатной температуре. Ямы соединяют центральную полость с двумя электронными резервуарами. Центральная полость поддерживается при более высокой температуре, чем резервуары. Ямы действуют как фильтры, пропускающие электроны определенных энергий. Как правило, большая разница температур между полостью и резервуарами увеличивает поток электронов и выходную мощность. Экспериментальное устройство выдавало выходную мощность около 0,18 Вт/см² при разнице температур в 1 К, что почти вдвое превышает мощность квантового точечного преобразователя энергии. Дополнительные степени свободы обеспечили больший ток. Его эффективность немного ниже, чем у квантовых точечных преобразователей энергии. Квантовые ямы пропускают электроны любой энергии выше определенного уровня, в то время как квантовые точки пропускают только электроны с определенной энергией. Фотоны с энергией, укладывающейся в ширину ямы, поглощаются в ямах и генерируют электронно-дырочные пары. При комнатной температуре эти фотогенерируемые носители заряда обладают достаточной тепловой энергией, чтобы покинуть яму быстрее, чем скорость рекомбинации. Сложные многопереходные квантовые солнечные элементы могут быть изготовлены с использованием послойных методов осаждения, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия или химическое осаждение из паровой фазы. Также было показано, что добавление металлических или диэлектрических наночастиц над элементом приводит к дальнейшему увеличению фотопоглощения за счет рассеивания падающего света в пути бокового распространения, ограниченного внутри многократного внутреннего слоя квантовой ямы.

Солнечные элементы с одним соединением

При обычных фотоэлектрических солнечных элементах с одним p-n переходом, генерируемая мощность является произведением фототока и напряжения на диоде. Поскольку полупроводники поглощают только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, материал с меньшей шириной запрещенной зоны поглощает большую часть спектра солнечного излучения, что приводит к большему току. Максимальное достижимое напряжение холостого хода определяется шириной запрещенной зоны материала. Максимальный теоретический предел эффективности для традиционных солнечных элементов составляет всего 31%, при этом лучшие кремниевые устройства достигают оптимального предела в 25%. Исследователи предполагают, что наблюдаемое увеличение указывает на то, что генерация новых носителей заряда и фототока за счет включения в спектр поглощения фотонов с более низкой энергией превышает падение напряжения на выходе, вызванное рекомбинацией носителей, захваченных в квантовых ямах. Последующие исследования показали, что увеличение фототока напрямую связано со смещением спектра поглощения в длинноволновую область (красное смещение). Кроме того, из-за деформации происходит расщепление вырождения тяжелых и легких дырок. В сильно сжатом материале тяжелые дырки (hh) переходят на более высокий энергетический уровень. В растянутом материале легкие дырки (lh) переходят на более высокий энергетический уровень. Разницу в энергии, возникающую из-за расщепления hh и lh, можно рассчитать на основе потенциала деформации сдвига, деформации и коэффициентов упругой жесткости, , и , а правило Андерсона используется для оценки сдвигов зон проводимости и валентной зоны по энергии.