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De 1963 à aujourd'hui : comment les puits quantiques ont changé la technologie des semi-conducteurs ?
La technologie des puits quantiques a fait l'objet de décennies de développement et de recherche depuis sa première proposition en 1963, et est devenue une base importante pour la technologie moderne des semi-conducteurs. Un puits quantique est un puits de potentiel avec seulement des valeurs d'énergie discrètes. Cette structure peut restreindre le mouvement des particules, leur permettant de se déplacer dans deux dimensions au lieu de se déplacer librement dans trois dimensions. Les progrès de cette technologie favorisent non seulement la recherche dans la communauté scientifique, mais révolutionnent également la technologie des semi-conducteurs, affectant ainsi notre vie quotidienne.
En 1963, Herbert Kroemer, Zhores Alferov et R.F. Kazarinov ont proposé indépendamment le concept de puits quantiques.
Contexte historique des puits quantiques
La réalisation de la technologie des puits quantiques a commencé en 1970, lorsque les scientifiques Esaki et Tsu ont réussi à développer des puits quantiques à semi-conducteurs et à concevoir pour la première fois un super-réseau synthétique. Ils proposent que les hétérostructures formées par une alternance de fines couches de semi-conducteurs de différentes bandes d’énergie devraient présenter des propriétés intéressantes et pratiques. Avec les progrès de la technologie de croissance cristalline, le développement de dispositifs à puits quantiques s’est également accéléré. Ces avancées technologiques ont permis un meilleur contrôle de la pureté et du nombre de défauts dans les équipements semi-conducteurs.
La technologie des puits quantiques continue d'attirer l'attention de la communauté scientifique et est réputée pour ses contributions aux prix Nobel décernés à Zhores Alferov et Herbert Kroemer. Les dispositifs semi-conducteurs qu'ils ont créés à l'aide de structures à puits quantiques ont ouvert la voie aux progrès dans la production et l'efficacité de nombreux composants modernes, notamment les diodes électroluminescentes (DEL) et divers transistors, technologies désormais intégrées dans nos téléphones portables, nos ordinateurs et divers autres appareils dans les équipements informatiques.
Technologie de fabrication de puits quantiques
Les puits quantiques sont formés en prenant en sandwich un certain matériau semi-conducteur, tel que l'arséniure de gallium, entre deux couches d'un matériau ayant une bande d'énergie plus large, tel que l'arséniure d'aluminium. De telles structures peuvent être développées à l'aide de techniques d'épitaxie par jet moléculaire (MBE) ou de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) qui peuvent être contrôlées jusqu'à une seule couche. Les films métalliques minces peuvent également prendre en charge les états de puits quantiques, en particulier les superpositions métalliques minces, qui fournissent de nouvelles idées pour la conception et la production de dispositifs à puits quantiques.
Il existe trois méthodes principales pour développer des systèmes de matériaux à puits quantiques : l'adaptation de réseau, l'équilibrage des contraintes et les systèmes de déformation.
Description et aperçu des puits quantiques
Un simple système de puits quantiques peut utiliser deux couches d'un semi-conducteur avec un grand écart énergétique (comme l'AlGaAs) prenant en sandwich une couche d'un semi-conducteur avec un écart énergétique plus petit (comme le GaAs). Ce changement de bande d'énergie forme un puits de potentiel et piège certains porteurs de faible énergie dans ce puits. Cela permet aux électrons et aux trous d'avoir des états d'énergie discrets et étroits dans le puits, ce qui est essentiel pour la conception ultérieure de dispositifs semi-conducteurs basés sur l'énergie.
Les porteurs dans un puits quantique peuvent être décrits comme étant dans un état semblable à celui des particules dans une boîte.
Propriétés physiques des puits quantiques
Les puits quantiques et les dispositifs à puits quantiques, en tant que branche de la physique du solide, continuent d'être étudiés et explorés. Sa théorie s'appuie sur des résultats dans de multiples domaines tels que la physique quantique, la physique statistique et l'électrodynamique. Dans le modèle du puits à potentiel infini, les parois du puits de potentiel sont supposées être infinies, mais les puits quantiques réels ont généralement des énergies de seulement quelques centaines de milliélectronvolts. Cela montre que la largeur du matériau du puits quantique peut être contrôlée avec précision, ce qui est crucial pour l’ingénierie de la bande interdite.
Le développement des puits quantiques constitue non seulement un progrès scientifique et technologique, mais également la clé de la promotion des applications modernes des semi-conducteurs. Alors que cette technologie continue d’innover, nous ne pouvons nous empêcher de nous demander comment la future technologie des puits quantiques façonnera notre style de vie et le progrès technologique ?
