Электронные и оптические процессы в легированных сверхрешетках на основе GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГС од

2 5 ДПР 2300

белорусским государственный университет

УДК 539.293:621.378

Ушаков Дмитрий Владимирович

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛЕГИРОВАННЫХ СВЕРХРЕШЕТКАХ НА ОСНОВЕ ваАэ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 2000

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики и опто-электроники Белорусского государственного университета

Научные руководители: доктор физико-математических науз

профессор

Кононенко Валерии Константинови1

кандидат физико-математических

наук, доцент

Манак Иван Степанович

Официальные оппоненты:

Оппонирующая организация -

член-корреспондент НАНБ, доктор технических наук, профессо Коршунов Федор Павлович

кандидат физико-математических наук

Синицин Георгий Владимирович Институт электроники НАН Белар}

■Защита состоится " (треЛ.я 2000 г. в 14 на заседании совета по загните диссертаций Д.02.01.16 в Белорусском государственном университете (220050 Минск, пр. Ф. Скорины, гл. корпус, ауд. 206, тел. 226-55-41).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан " /. 1" (ре$11Сиз. 2000 г.

#3 03

Ученый секретарь совета & ^ £ $. ~ 6^

по зашите диссертаций ^ г>/

канд. физ.-мат. наук,

доцент '^Щ'' I В.Ф. Стелъмах

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Квантоворазмерные эффекты служат основой создания полупроводниковых приборов нового поколения, в том числе достаточно мощных излучателей, пикосекундных оптических переключателей, высокочувствительных фотодетекторов. Компактность, малое энергопотребление, низкие пороги включения и высокая надежность способствуют тому, что в настоящее время многие ведущие фирмы полупроводниковой электроники разрабатывают и выпускают уникальные приборы на основе квантоворазмерных структур. Интересными свойствами обладают полупроводниковые структуры типа легированных сверхрешеток. Изменение концентрации легирующих примесей и толщины слоев в таких структурах дает возможность создания полупроводниковых приборов с контролируемыми электрическими и оптическими характеристиками, которые могут изменяться в широком диапазоне с уровнем возбуждения. Исследование свойств и характеристик легированных сверхрешеток относится к одной из актуальных задач полупроводниковой электроники.

Дальнейшее развитие современных наукоемких технологий особенно важно в условиях Беларуси, которая имеет большой научный потенциал и целый ряд полупроводниковых, радиоэлектронных и оптико-электронных производств, но не обладает богатыми сырьевыми ресурсами. Тем более, что уровень развития теоретических знаний в области физики квантоворазмерных структур достаточно высок и позволяет эффективно использовать не приводящее к большим материальным затратам компьютерное .моделирование для разработки новых полупроводниковых наноразмерных структур.

Дорогостоящая технология легированных сверхрешеток, или гс-г-р-г-кристаллов, требует предварительных детальных теоретических исследований, которые интенсивно проводятся за рубежом в таких странах, как Германия, США, Япония, а также в России. Однако к началу выполнения настоящей работы ряд фундаментальных вопросов физики легированных полупроводниковых сверхрешеток был изучен недостаточно. К ним относятся процессы, связанные с трансформацией профиля потенциальной энергии и эффективной ширины запрещенной зоны, появлением в результате сильного легирования хвостов плотности состояний, с экранированием электростатического потенциала носителями заряда, характером поведения отношения коэффициента диффузии к подвижности носителей тока, с изменением перекрытия волновых функций электронов и дырок. Недостаточно изучены особенности распределения спектров излучения в длинноволновой области, вопросы, связанные с нелинейным поглощением. В полной мере не выяснены

возможности перестройки спектров усиления, а также управления динамикой оптических и электрических процессов в легированных сверхрешетках. Решение этих задач способствует прогрессу в области полупроводниковой квантовой электроники при разработке приборов на основе легированных сверхрешеток, в том числе излучателей и фотоприемников с перестраиваемыми характеристиками.

Связь работы с крупными научными программами, темами

Данная диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектрошнси Белорусского государственного университета и выполнялась в рамках проектов Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований "Управление электронно-оптическими процессами в лазерных нано-размерных системах" (1995-1997, N° госрегистрации 19961657), "Динамика процессов в полупроводниковых лазерных системах с микрорезонатором" (1997-1999, N° госрегистрации 19973956), "Анализ излу-чательных характеристик лазерных квантоворазмерных полупроводниковых систем с модифицированной зонной структурой" (1997-1999, N° госрегистрации 19973956) и "Анализ динамических и спектральных характеристик полупроводниковых квантоворазмерных лазерных структур на основе легированных сверхрешеток с модуляцией добротности резонатора" (1998-2000, N° госрегистрации 19982947); тем Министерства образования и науки РБ "Компьютерное проектирование и анализ физических процессов в квантоворазмерных и интегральных инжекционных лазерах" (1994-1995, N° госрегистрации 19942985), "Анализ неравновесных электронных и оптических процессов в полупроводниковых источниках излучения" (1994-1996, Лг?госрегистрации 19942986), "Анализ оптических свойств полупроводниковых квантоворазмерных лазерных структур" (1998, ^госрегистрации 19982712) и "Разработка теории квантоворазмерных лазеров" (1998-2000, N° госрегистрации 19991538), а также в рамках Белорусско-Российской научно-технической подпрограммы "Лазерные технологии XXI века" но проекту "Разработка и исследование многослойных квантоворазмерных лазерных гетероструктур для элементной базы функциональной оптоэлектроники" (1998, N° госрегистрации 1999390).

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы - установление закономерностей изменения энергетических, спектральных и динамических характеристик легированных полупроводниковых сверхрешеток в зависимости от концентрации примесей, толщины легированных слоев, температуры и уровня возбуждения и поиск возможностей создания на основе 71-г-р-г-кристаллов лазерных излучателей, перестраиваемых в широком диапазоне длин волн.

Для достижения поставлешюй цели решались следующие задачи:

- самосогласованный расчет потенциального рельефа, электронных и дырочных уровней энергии и волновых функций, а также их трансформации при вариации степени легирования, толщины легированных слоев и уровня возбуждения легированной сверхрешетки;

- анализ плотности энергетических состояний и двухмерных концентраций носителей заряда с учетом влияния флуктуаций электростатического потенциала, эффектов экранирования носителями заряда и корреляции в распределении примесей;

- исследование характера изменения отношения коэффициента диффузии к подвижности носителей тока с ростом уровня возбуждения для различных типов легированных сверхрсшеток с учетом гауссовых и экспоненциальных хвостов плотности состояний и влияния фонового экранирования;

- установление характера трансформации спектров поглощения (усиления) и испускания п-г-р-г-кристаллов в случае прямых переходов и переходов без правила отбора по волновому вектору электрона при учете изменения интегралов перекрытия волновых функций электронов и дырок, эффекта сужения ширины запрещенной зоны, флуктуаций концентраций заряженных примесей и нелинейно-оптических процессов, связанных с заполнением уровней подзон;

- расчет пороговых и динамических характеристик двухсекционной лазерной структуры на основе ¿-легированной сверхрешетки и выяснение возможности управления длиной волны генерации в различных режимах работы.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования в работе являются легированные полупроводниковые сверхрешетки, или п-г-р-г-кристал.ты. Предмет исследования - электронные и оптические характеристики легированных сверхрешеток.

Методология и методы проведенного исследования

Методология и методы проведенных в работе исследований основаны на теоретическом изучении электронных и оптических процессов в легированных сверхрешетках в рамках квантовой механики, зонной теории полупроводников и электродинамики сплошных сред.

Научная новизна и значимость полученных результатов

1. Для легированных полупроводниковых сверхрешеток предложены новые методики расчета профиля потенциальной энергии электронов, не требующие совместного численпого решения уравнений Шре-дилгера и Пуассона и позволяющие найти закономерности трансформации потенциального рельефа и его глубины при изменении концентраций легирующих примесей, толщины слоев и уровня возбуждения легированной сверхрешетки.

2. Получены выражения для двухмерной плотности энергетических состояний и концентрации носителей заряда при учете гауссова или экспоненциального хвостов плотности состояний. Проведен сравнительный анализ и изучены закономерности изменения длины экранирования и характеристического параметра хвоста плотности состояний с возбуждением структуры в случае гауссовых и экспоненциальных хвостов плотности состояний и корреляции в распределении примесей.

3. Впервые исследовано отношение коэффициента диффузии к подвижности носителей тока в п-г-р-¿-кристаллах и показано его аномальное уменьшение с ростом уровня возбуждения, связанное с экранированием носителями тока и сокращением хвостов плотности состо-яшш, и дальнейшее немонотошюе поведение, обусловленное заполнением вышележащих уровней энергии. Выявлены особенности поведения отношения коэффициента диффузии к подвижности нри учете фонового экр анир ования.

4. Развита теория излучательных переходов в легированных сверхрешетках с учетом хвостов плотности состояний и сужения ширины запрещенной зоны, на основе которой дано объяснение длинноволнового крыла спектров испускания п-г-р-г-кристаллов.

5. Рассчитаны пороговые и спектральные характеристики предложенной двухсекционной лазерной структуры на основе ¿-легированной сверхрешетки и получены условия перестройки длины волны генерации в широком спектральном диапазоне в режимах стационарной генерации, переходного процесса и регулярных пульсаций на нескольких длинах волн.

Практическая значимость полученных результатов

Разработанный пакет программ для расчета зонного спектра, плотности состояний, матричных элементов оптических переходов, спектров излучения и динамических характеристик легированных сверхрешеток может быть использован для анализа электронных и оптических процессов в легированных сверхрешетках, при исследовании и разработке оптоэлектронных приборов на основе п-г-р-ъ- кристаллов.

На основе ¿-легированной сверхрешетки предложен новый тип двухсекционного инжекционного лазера с перестраиваемой при различных режимах генерации длиной волны в широком диапазоне в ИК-области. Такие полупроводниковые лазеры могут найти применение в лазерной диодной спектроскопии, системах оптической обработки информации и для накачки твердотельных лазеров.

Полученные результаты могут быть использованы в Белорусском государственном университете, Институте физики им. Б.И. Степано-

ва НАНБ, Институте физики твердого тепа и полупроводников НАНБ, Институте электроники НАНБ, Гомельском государственном университете им. Ф. Скорины, Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, Институте физики микроструктур РАН, Государственном научном центре РФ "Орион", ГП НИИ "Полюс" и других организациях, занимающихся исследованиями квантоворазмерных полупроводниковых структур и легированных сверхрешеток и разработкой приборов на их основе.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. В легированных полупроводниковых сверхрешетках глубина потенциального рельефа с ростом концентрации неравновесных носителей тока уменьшается линейно при малых уровнях возбуждения и подчиняется более медленному степенному закону изменения с показателем —1/3 при сильном возбуждении в результате экранирования потенциала заряженных примесей вырожденным электронным гадом.

2. Модель из лу чат ель ных переходов в легированных полупроводниковых сверхрешетках с учетом возникающих из-за флуктуаций электростатического потенциала хвостов плотности состояний, позволяющая описать длинноволновое крыло спектров испускания.

3. В п-г-р-г-кристаллах отношение коэффициента диффузии к подвижности носителей тока в зависимости от концентраций донорных и акцепторных примесей и толщины легированных слоев может проявлять как начальное аномальное уменьшение с ростом уровня возбуждения, связанное с сокращением хвостов плотности состоянии в результате экранирования флуктуирующего электростатического потенциала, так и дальнейшее осциллирующее поведение, обусловленное заполнением вышележащих уровней подзон.

4. В двухсекционном инжекционном лазере на основе ¿-легированной сверхрешетки неоднородное возбуждение секций диода позволяет перестраивать длину волны генерации в широком спектральном диапазоне в режимах стационарной генерации, переходного процесса и регулярных пульсаций, в котором возможна также генерация на двух разнесенных длинах волн.

Личный вклад соискателя

Все приведенные в диссертации результаты получены лично соискателем и проанализированы вместе с научными руководителями. Другие соавторы опубликованных работ участвовали в проведении совместных исследований, результаты которых не вошли в диссертацию.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на международных и республикан-

ских конференщ!ЯХ и симпозиумах: II, III и IV Междунар. конф. "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1995, 1997, 1999); 5 and 6th Int. Seminars "Nonlinear Phenomena in Complex Systems" (Minsk, 1996, 1997); I и II Межгос. науч.-тех. конф. "Квантовая электроника" (Минск, 1996, 1998); Всерос. симпоз. "Математическое моделирование и компьютерные технологии" (Кисловодск, 1997); II Белорусско-Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, 1997); Int. Conf. "Photoconversion: Science and Technologies" (Warsaw, 1997); 2nd GR-I Int. Conf. "New Laser Technologies and Applications" (Olympia, 1997); Int. Conf. "Nanomeeting-97" (Minsk, 1997); Int. Workshop "Mind, Brain & Neurocomputers: Structures, Dynamics and Information Processing" (Minsk, 1997); Int. Conf. " Solid State Crystals - Materials Science and Applications (Zakopane, 1998); Междунар. конф. "Прикладная оптика-98" (С.-Петербург, 1998); Междунар. конф. "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 1998); Междунар. конф. молодых ученых и специалистов "Оптика-99" (С.-Петербург, 1999); XIV Литовско-Белорусском семинаре "Лазеры и оптическая нелинейность" (Прейла, 1999).

Оиубликованность результатов

По результатам выложенных исследований опубликовано 17 научных работ. Из них 8 статей напечатано в научных журналах, 5 статей издано в сборниках и 4 работы представлено в виде тезисов докладов конференций и сешшаров. Общее количество страниц опубликованных материалов - 80.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, общей характеристики работы, литературного обзора (глава 1), теоретической части (главы 2-5), заключения и библиографии. Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков на 36 страницах. Список использоваш1ых источников включает 173 наименования на 14 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении представлена оценка современного состояния решаемой проблемы, кратко изложены основные и исходные данные для разработки темы и обоснована необходимость выполнения работы.

Общая характеристика работы содержит описание актуальности темы, цели и задач исследования, отражает научную новизну, практическую и экономическую значимость полученных результатов. Здесь же приведены основные положения, выносимые на защиту, указан лич-

ный вклад автора, приводятся сведения об апробации и опубликован-ности результатов, структуре и объеме диссертации.

Первая глава диссертации - обзорная и посвящена общей характеристике электронных и оптических свойств легированных полупроводниковых сверхрешеток. Основное внимание уделено известным методам описания профиля потенциальной энергии легированных сверхрешеток, дана классификация их типов и указаны материалы, на которых они изготавливаются, обсуждаются способы управления электрическими и оптическими параметрами и отмечены проблемы при рассмотрешш излучательных характеристик структур на основе п -г-р-г- кри стал лов. В главе сформулированы также основные задачи диссертациошюй работы.

В легированных сверхрешетках при расчетах потенциального рельефа, уровней энергии и волновых функций электронов и дырок необходимо самосогласованно решать уравнения Шредингера и Пуассона. Однако в полной мере не разработаны методики аналитического расчета потенциального рельефа и эффективной ширины запрещенной зоны, устанавливающие закономерности их изменения в зависимости от уровня возбуждения кристалла, концентраций доноров А^ и акцепторов 7Уа и толщины легированных слоев п- и р-типа (1п и <1?. Кроме того, при расчете плотности энергетических состояний и концентраций носителей тока необходимо учитывать образование примесной зоны и возникновение хвостов плотности состояний, особенно при больших концентрациях легирующих примесей в полупроводнике. Поэтому требуется более детальное рассмотрение энергетической структуры и профиля потенциальной энергии легированных сверхрешеток с учетом флуктуации электростатического потенциала и экранирования носителями заряда.

Исследования процесса переноса носителей тока вдоль слоев проводились только для легированных сверхрешеток с большими периодами и малым уровнем легирования. При увеличении концентраций легирующих примесей структуры необходимо утштывать образование хвостов плотности состояний. Такой анализ для п-г-р-г-кристаллов не проводился, кроме того не исследовался характер изменения отношения коэффициента диффузии к подвижности носителей тока при изменении уровня возбуждения и температуры кристалла.

При анализе спектров поглощения и люминесценции п-г-р-г-кристаллов широко используется модель прямых переходов, согласно которой длинноволновый край спектров ограничивается эффективной шириной запрещенной зоны Е'д. Для легированных сверхрешеток с большим периодом расчет оптических характеристик проводился с учетом эффекта Франца-Келдыша. Однако адекватное описание экспериментально наблюдаемых спектров поглощения и испускашм легиро-

ванных сверхрешеток в длинноволновой области ниже Е'д отсутствует. Кроме того, недостаточно исследованы вопросы, связанные с нелинейным поглощением света.

В легированных сверхрешетках в условиях оптической накачки или при приложении электрического напряжения может достигаться заметный сдвиг спектров люминесценции (более 200 мэВ). Однако не реализованы возможности по перестройке спектров усиления, а также управления динамикой генерационных процессов в лазерных структурах на основе легированных сверхрешеток.

Вторая глава посвящена исследованию энергетического спектра тг-г-р-г-кристаллов. В различных приближениях и на основании самосогласованных расчетов исследовал характер трансформации профиля потенциальной энергии с уровнем возбуждения легированной сверхрешетки.

В приближении эффективной ширины области пространственного заряда полагается, что при заполнении электронами и дырками уровней подзон электрический заряд ионизованных примесей нейтрализуется в центральных областях слоев п- и р-типа, имеющих ширину прямо пропорциональную двухмерным концентрациям электронов п и дырок р соответственно. Пространственное распределение потенциала легированной сверхрешетки получается плоским в областях нейтрализации, имеет параболические участки в области ионизованных примесей и описывается линейной зависимостью в собственных слоях толщиной с1{. При этом глубина потенциального рельефа 2ДУ при увеличении уровня накачки г = п/Идйп уменьшается в этом случае по квадратичному закону. Данный подход применим для описания потенциального рельефа в легированных сверхрешетках с достаточно большим периодом и при низких температурах.

В случае комнатных температур и малого периода легированной сверхрешетки необходимо использовать приближение эффективной концентрации ионизованных примесей. Тогда вводятся прямо пропорциональные концентрациям неравновесных носителей тока эффективные концентрации ионизованных примесей. При этом показано, что в распределении профиля потенциальной энергии отсутствуют плоские участки, а глубина потенциального рельефа уменьшается линейно с ростом г, т.е.

2ДУ = 2АУ0(1 - г), (1)

где 2ДУ0 - глубина потенциального рельефа при термодинамическом равновесии.

Для некомпенсированной сверхрешетки, когда Мас1р ф при

расчете потенциального рельефа может быть использовано смешанное приближение. В этом случае для более сильно легировашгых областей п-г-р-¿-структуры подходит приближение эффективных ширин, а для

участков с меньшими концентрациями легирующих примесей - приближение эффективных концентраций.

При достаточно высоких значениях параметра накачки г > 1 легированная сверхрешетка все больше проявляет объемные свойства. Поэтому для расчета профиля электростатического потенциала может быть использовано приближение модулированных объемных концентраций носителей тока с периодом, равным периоду сверхрешетки й = йп 4- ¿р + 2

Результаты расчетов потенциального рельефа в различных приближениях сравниваются с проведенным численным самосогласованным решением уравнений Шредингера и Пуассона. Как установлено, самосогласованные расчеты и вычисления по аналитическим формулам дают практически одинаковый профиль потенциальной энергии, хотя пространственное распределение плотности заряда оказывается различным. Плоские участки профиля потенциальной энергии в центральной части легированных слоев, получаемые в приближении эффективных ширин, не проявляются в приближении эффективных концентраций и менее выражены в смешанном приближении. При этом результаты расчетов профиля потенциальной энергии в приближении эффективных ширин практически совпадают при малых накачках с расчетами в приближении эффективных концентраций и смешанном приближении и заметно отличаются от результатов самосогласованных расчетов профиля потенциальной энергии при средних уровнях возбуждения легированной сверхрешетки.

Согласно приближению эффективных концентраций ионизованных примесей и смешанному приближению, глубина потенциального рельефа при увеличешш уровня возбуждения легированной сверхрешетки уменьшается как (1 — г). При больших накачках для расчета профиля потенциальной энергии следует использовать приближение модулированных объемных концентраций носителей тока, которое дает более медленное изменение глубины потенциального рельефа с ростом уровня возбуждения. Показано, что для компенсированной легированной сверхрешетки при г > 1 глубина потенциального рельефа изменяется как т~1/,э.

Предложенные методики аналитического описания потенциального рельефа позволяют, не прибегая к процедуре самосогласованного расчета, находить распределение уровней энергии и волновые функции электронов и дырок и их изменение с уровнем возбуждения. При проведении более точных самосогласованных расчетов уровней энергии и волновых функций полученные выражения для потенциального рельефа могут быть использованы как первое приближение.

В третьей главе проведен анализ распределения энергетических состояний и рассчитана двухмерная концентрация носителей тока в

тг-г-р-а-кристаллах с учетом хвостов плотности состоянии, возникающих в результате флуктуации концентраций легирующих примесей. При гауссовом характере распределения потенциала примесей выражение для плотности состояний рс{Е) в зоне проводимости имеет вид

/ еп V- Шс с + Есп - Е\ , .

Здесь тс - эффективная масса электронов, Есо - дно зоны проводимости, Есп ~ основной уровень подзоны с квантовым числом п, агс - характеристический параметр хвоста плотности состояний. Как видно, образование хвостов плотности состояний приводит к характерному сглаживанию ступенчатообразного распределения плотности состояний.

Анализ влияния легирования на энергетические параметры п-г-р-г-кристаллов проведен как для вырожденного электронного газа (квантовый предел) так и в случае конечных температур. С учетом фонового экранирования, возникающего из-за корреляции в распределении примесей в процессе легирования, длина экранирования Ьс и параметр сгс в квантовом пределе {Ет ~ Ес0о) определяются как

г £с0 <ГсО /„ч Ьс =-—, <тс =-г, ^о)

(«&(-%) + С)г ' (ег&(-Че) + С]

где т1С = — Еса — Ет)/ас, и а^ - значения длины экранирования и параметра хвоста плотности состояний в отсутствие фонового экранирования и при совпадении квазиуровня Ферми с уровнем Есп = 0). Коэффициент примесной корреляции С задается отношением квадратов длин экранирования электронами Ьсо и заряженными донор-ными примесями Ь^ т.е. С = Ь^/Ь^. Обычно длина экранирования Ьв, определяется концентрацией и температурой "замораживания" примесей, близкой к температуре выращивания кристалла.

При больших т]с длина экранирования Ьс и параметр ас практически не изменяются и составляют, соответственно, Ьсо/(2 + С)1/2 и <7со/(2 + С)1/". С уменьшением г)с значения Ьс и ас сначала возрастают, а при Цс —> —оо стремятся к постоянным значениям Ь^ и <тсй/С1/4 соответственно. Отметим, что при отсутствии корреляции в распределении примесей (С — 0) с уменьшением т)с длина экранирования Ьс и параметр ас монотонно возрастают.

Часто для описания глубоких хвостов плотности состояний используется экспоненциальный закон распределения. Проведенный анализ показывает, что установленные особенности изменения Ьс и ас имеют место и при экспоненциальном хвосте плотности состояний. Однако при малых уровнях возбуждения т?с < — 2 и С — 0 значения Ьс и

(7С, соответствующие гауссову хвосту плотности состояний, начинают возрастать быстрее, чем при экспоненциальном законе распределения в хвосте плотности состояний.

Как в квантовом пределе, так и для конечных температур получены выражения для двухмерной концентрации носителей тока и производной от концентрации по химическому потенциалу ( в случае гауссовых и экспоненциальных хвостов плотности состояний. Показано, что результаты расчетов с учетом гауссовых и экспоненциальных хвостов различаются при малых уровнях возбуждения (С < 0), когда параметры энергетического спектра сверхрешетки при наличии экспоненциальных хвостов плотности состояний изменяются более медленно с (, чем в случае гауссовых хвостов.

Из-за пространственного разнесения электронов и дырок в п-г-р-г-кристаллах экранирование флуктуирующего электростатического потенциала осуществляется, в отличие от объемных кристаллов, отдельно электронами в га-областях и дырками в р-областях. В частности, для легированной сверхрешетки р-типа (А^с/р > N¿11„) длина экранирования и параметр хвоста плотности состояний больше для электронов в п-области, чем для дырок в р-области. При этом длины экранирования меньше периода сверхрешетки. При возбуждении легированной сверхрешетки происходит уменьшение длин экранирования, что приводит к сокращению хвостов плотности состояний и изменяет распределение уровней энергии и огибающие волновые функции. Кроме того, рассмотрение в рамках линейного экранирования показывает, что характер экранирования (объемный или двухмерный) не влияет существенно на энергетический спектр легированных сверхрешеток.

Четвертая глава посвящена анализу отношения коэффициента диффузии Б к подвижности /I носителей тока в п-г-р-г-кристаллах. Отношение £>/// служит одним из наиболее важных термодинамических параметров полупроводников, оно связано с длиной экранирования, процессами диффузии и рекомбинации, фотопроводимостью и временем отклика различных оптоэлектронных полупроводниковых структур. Его исследование для тг-г-р-г-кристаллов дает возможность установить вид распределения плотности состояний, выявить характер экранирования электростатического потенциала, определить роль флуктуаций концентраций легирующих примесей, а также корреляцию в их распределении и степень компенсации.

В квантовом пределе в случае гауссова или экспоненциального хвоста плотности состояний с учетом фонового экранирования получены следующие выражения для еЛ>//г, соответственно:

е'1 (ег£с (-,,,) +С)'Vе '

% = Ео° (г^+СТ С1 + 111 (1+^ • (5)

Здесь Е00 — (Гсо/йи, г) = аит]„ аи = 2.565.

В отсутствие фонового экранирования (С = 0) при начальном увеличении уровня возбуждения Г]с отношение коэффициента диффузии к подвижности в п-г-р-¿-кристаллах уменьшается, что объясняется сокращением хвостов плотности состоянии. В случае гауссова характера распределения плотности состояний минимум еБ/ц приходится на т]с = —0.7 и достигает величины порядка 0.5<7с0. При экспоненциальном хвосте плотности состояний получается такой же минимум е£)/|х, но при больших уровнях возбуждения кристалла т/с и —0.2.

Наличие корреляции в распределении примесей приводит к тому, что отношение Б/ц в случае гауссовых хвостов не возрастает с уменьшением уровня возбуждения, как при С = 0, а падает обратно пропорционально |?7С|. На зависимости отношения Б/ц от цс наблюдаются максимум и минимум, которые с увеличением коэффициента примесной корреляции С сближаются, а при С > 0.06 исчезают. При экспоненциальном хвосте плотности состояний с уменьшением уровня возбуждения кристалла величина е!)//х, в отличие от гауссовой аппроксимации, не падает, а приближается к постоянному значению Ею/С1/*. С ростом коэффициента С минимум Б/ц сдвигается в область меньших значений т]с и при С > 1 также не проявляется.

Проведенный без учета флуктуации электростатического потенциала анализ показывает, что отношение Б/(г в легированных сверхрешетках при низких температурах должно проявлять зигзагообразную зависимость от двухмерной концентрации электронов я, связанную с заполнением вышележащих уровней подзон. Увеличение температуры сглаживает эту зависимость и при комнатной температуре квантово-размерные эффекты не проявляются.

При наличии флуктуации концентраций примесей возникает дополнительный эффект. Как установлено, с ростом уровня возбуждения легированной сверхрешетки аномальное уменьшение отношения Б/\1 возникает в результате сокращения хвостов плотности состояний. Кроме того, заполнение вышележащих уровней энергии, сопровождающееся дальнейшим сокращением хвостов плотности состояний, также приводит к немонотонному изменению величины Б)¡1. Показано, что фоновое экрашгрование для малых уровней возбуждения приводит в случае экспоненциального хвоста к постоянной величине Б/ц, определяемой коэффициентом примесной корреляции, а при гауссовом хвосте - уменьшению отношения Б/ц вплоть до классического значения кТ/е.

Таким образом, легированные сверхрешетки, наряду с сильно легированными полупроводниками и квантоворазмерными гетерострук-

турами, относятся к классу полупроводниковых материалов с аномальным характером отношения В/ц. Установленные закономерности изменения Б/ц необходимо учитывать при анализе электрических и оптических характеристик легированных сверхрешеток и структур на нх основе.

В пятой главе исследуются оптические свойства легированных сверхрешеток, а также обсуждаются возможности управления характеристиками лазерных структур. В спектрах излучательной рекомбшга-ции легированных сверхрешеток наблюдается заметное длинноволновое крыло, которое связано с наличием примесных состояний и для его описания необходимо учитывать флуктуации концентраций примесей и эффекты экранирования. В главе предложена методика расчета спектров поглощения и испускания в легированных сверхрешетках с учетом хвостов плотности состояний и сужегшя ширины запрещенной зоны.

Оценки сужения ширины запрещенной зоны АЕд проведены с учетом изменения длины экранирования с уровнем возбуждения легированной сверхрешетки. Для легированных сверхрешеток характерен рост эффективной ширины запрещенной зоны Е'д с увеличением накачки из-за уменьшения глубины потенциального рельефа. Однако, как показано, при учете эффекта сужения ширины запрещенной зоны на начальном этапе с ростом уровня накачки г может наблюдаться уменьшение Е'д. Четкие минимумы на зависимости Е'д(г) будут наблюдаться в легированных сверхрешетках с малой концентрацией легирующих примесей и коротким периодом.

Расчеты спектров люминесценции проводились для прямых переходов и сравнивались с результатами в модели без правила отбора по волновому вектору электрона. С учетом флуктуаций в распределении примесей получены выражения для приведенной плотности состояний. Показано, что длинноволновое крыло спектров испускания определяется в основном распределениями в хвостах плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне. Уровни размерного квантования явно не проявляются на форме кривых спектров испускания, которые практически не зависят от правила отбора по волновому вектору электрона.

Для установления применимости развитого подхода к описанию спектров спонтанного излучения легированных сверхрешеток на ваАв проведен анализ известных экспериментальных данных. Теоретические кривые для спектров спонтанной рекомбинации, как и измеренные спектры фото- и электролюминесценции, имеют гладкую форму, на которой не проявляются эффекты размерного квантования уровней. В отличие от модифицированной модели экспоненциальных хвостов, предложешюй ранее, развитый подход достаточно хорошо описывает спектр спонташюго излучения при слабом возбуждешш. Для 6-легированных сверхрешеток наблюдается хорошее совпадение теоре-

тических и экспериментальных результатов вплоть до высоких уровней возбуждении.

С целью выявления нелинейного взаимодействия излучения с неравновесными носителями проведен анализ насыщения поглощения в легированных сверхрешетках. Показано, что для энергий фотонов, близких к ширине запрещенной зоне полупроводника, на зависимости коэффициента поглощения к от плотности фотонов 5 может наблюдаться увеличение к с ростом 5, т.е. возможен эффект затемнения. Данный эффект обусловлен трансформацией спектра энергетических уровней легированной сверхрешетки при увеличении концентрации неравновесных носителей тока, который однако не проявляется при наличии флуктуаций электростатического потенциала. Для типичных параметров структур на ваАв проведены оценки параметра нелинейности, который практически не зависит от длины волны возбуждающего света и составляет при комнатной температуре порядка 10 см2/МВт.

Изменение спектральных характеристик исследовано также на примере двухсекционной лазерной структуры на основе ¿-легированной сверхрешетки на СаАэ с параметрами: = Найр = 1013 см-2,

с?» = 9 нм. Суммарный коэффициент усиления лазерной структуры к определялся как к — Г\к\ + г2к2, где к2 и гь г2 - коэффициенты усиления и относительные протяженности первой и второй секций диода соответственно. Для заданного коэффициента потерь к( = 50 см"1 и 7*1 = 0.7 максимальная длина волны излучения А — 1.08 мкм достигается при одинаковых двухмерных концентрациях носителей тока в обоих секциях лазера. Нижний предел перестройки длины волны генерации, равный А = 1.02 мкм, реализуется при сильном возбуждении первой секции к слабой накачке второй части диода. Показано, что диапазон перестройки длины волны излучения при заданном максимально допустимом значении плотности тока инжекции в усиливающей секции ^тах расширяется при увеличении ее размера г\. Например, для ]тах и 300 А/см2 при значениях Т\ = 0.5, 0.6 и 0.7 область перестройки составляет 33, 48 и 63 нм соответственно.

На основе решения скоростных уравнений определены области токов накачки, соответствующие различным режимам генерации лазера. Анализ устойчивости генерации показывает, что из-за большого из-лучательного времени жизни носителей заряда « 1 мкс в легированной сверхрешетке режим стационарной генерации реализуется только в условиях протекания обратного тока в поглощающей секции. При введении дополнительного, безызлучательного канала рекомбинации с временем жизни порядка 1 не, например при ионной имплантации дефектов, перестройка частоты генерации может осуществляться при прямом токе в обеих секциях диода. При г\ = 0.7 диапазон перестройки длины волны в условиях стационарной генерации может достигать

30 нм - от 1.05 до 1.08 мхм.

Проведенный анализ динамики генерации излучения покапал, что в двухсекционном лазере на основе б-легированнои сверхрешетки осуществимы три способа перестройки длины волны генерации. Регулируя плотность тока в секциях диода j^ и j2, можно в режиме регулярных пульсаций получить перестройку длины волны генерации в диапазоне 1.02 — 1.06 мхм. Кроме того, в режиме самоподдерживающихся пульсаций возможна генерация сдвоенных импульсов на двух далеко разнесенных длинах волн. В частности, при значениях = 300 А/см2 и _72 = 10 А/см2 импульсы излучения реализуются на длинах волн 1.02 и 1.05 мкм.

Перестройка длины волны генерации в двухсекционном лазере на основе ¿-легированной сверхрешетки происходит также при изменении длины волны в первом релаксационном гапке путем вариации тока накачки в секциях диода. При = 100 А/см2 и ¿2 = 700 А/см2 длина волны излучения первого релаксационного шгчка составляет 1.08 мкм. В случае = 500 А/см2 и — 30 А/см2 первому тику соответствует минимальная длина волны генерации 1.02 мкм.

Кроме того, лазер может генерировать последовательность импульсов с возрастающим значением А от 1.02 до 1.06 мкм, подобно свип-лазеру. Это можно считать еще одним способом перестройки длины волны генерации. Наибольший диапазон и более плавную перестройку длины волны генерации со временем в этом режиме можно получить, если дополнительный канал рекомбинации не вводится. При оптимальном значении протяженности усиливающей части диода г\ = 0.65 диапазон перестройки длины волны может достигать 73 нм -от значений Ли 1.01 мкм в первом релаксационном пичке до 1.08 мкм в установившемся стационарном режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены методики расчета профиля потенциальной энергии, позволяющие установить закономерности изменения формы и глубины потенциального рельефа легированной сверхрешетки в зависимости от толщины слоев, концентрации примесей, других конструктивных параметров, а также уровня возбуждения сверхрешетки. В приближении эффективной концентрации ионизованных примесей и смешанном приближении показано, что для легированных сверхрешеток с коротким периодом глубина потенциального рельефа 2ДУ при малых и средних уровнях возбуждения зависит практически линейно от параметра накачки г = где п - двухмерная концентрация элек-

тронов, А^ - концентрация доноров в п-слоях, в.п - толщина п-слоев, т.е. 2АУ ~ (1 — г). При больших уровнях возбуждения профиль по-

тенциальной энергии достаточно хорошо описывается в приближении модулированных объемных концентраций носителей тока, когда глубина потенциального рельефа изменяется более медленно с ростом г. В частности, для компенсированной легированной сверхрешетки при г > 1 значение 2АУ" уменьшается как г-1/3 [1,2,9,14].

2. Проведен анализ распределения энергетических состояний и рассчитана двухмерная концентрация носителей тока в легированной сверхрешетке с учетом хвостов плотности состояний, возникающих в результате флуктуащш концентраций легирующих примесей. Как в квантовом пределе, так и для конечных температур, образование хвостов плотности состояний приводит к сглаживанию ступенчатообраз-ного распределения плотности состояний. Установлено, что изменение двухмерной концентрации носителей тока и производной от концентрации по химическому потенциалу, рассчитанных с учетом гауссовых и экспоненциальных хвостов, различаются при малых уровнях возбуждения, когда параметры энергетического спектра сверхрешетки при наличии экспоненциальных хвостов плотности состояний изменяются более медленно с г, чем в случае гауссовых хвостов [3,10].

3. Рассмотрены особенности экранирования электростатического потенциала, связанные с пространственным разнесением электронов и дырок в легированных сверхрешетках, определено изменение длин экранирования и характеристических параметров хвостов плотности состояний в п- и р-областях с уровнем возбуждения пЧ-р-мсристалла и проведен сравнительный анализ при учете гауссовых и экспоненциальных хвостов плотности состояний. Показано, что корреляция в распределении примесей обусловливает постоянство длины экранирования и параметра хвоста плотности состояний при низких уровнях возбуждения, что отражается на оптических и электрических характеристиках легированной сверхрешетки [12,15,16].

4. Предсказан аномальный характер изменения отношения коэффициента диффузии Б к подвижности носителей тока /х в п-г'-р-г-кристаллах. Показано, что начальное уменьшение 2Э//х, а не увеличение, с ростом уровня возбуждения связано с сокращением хвостов плотности состояний, а дальнейшее зигзагообразное изменение В/р. обусловлено заполнением вышележащих уровней подзон. В случае гауссова и экспоненциального хвостов плотности состояний оценены значения коэффициента примесной корреляции, когда минимум на зависимости отношения от г не проявляется. Показано, что фоновое экранирование при малых уровнях возбуждения приводит в случае экспоненциального хвоста плотности состояний к конечной величине О/ц, а при гауссовом хвосте - уменьшению отношения И/ц вплоть до классического значения кТ/е [5,7].

5. Развита методика расчета спектров излучения в легирован-

ных сверхрешетках с учетом хвостов плотности состояний и сужения ширины запрещенной зоны. Показано, что в п-г-р-г-кристаллах величина сужения запрещенной зоны может превышать изменение глубины потенциального рельефа, что приводит к уменьшению эффективной ширины запрещенной зоны при слабом возбуждении кристалла. На основе развитой методики дано адекватное описание известных экспериментальных спектров электро- и фотолюминесценции легированных сверхрешеток. Проведен анализ насыщения поглощения в легированных сверхрешетках и в модели без учета хвостов плотности состояний описан эффект затемнения, т.е. увеличения коэффициента поглощения с ростом интенсивности света, который однако не наблюдается при наличии флуктуацнй электростатического потенциала [4,6,11,17].

6. Исследованы пороговые и динамические характеристики двухсекционной лазерной структуры на основе ¿-легированной сверхрешетки. Проанализированы особенности изменения спектра усиления и найдены условия перестройки длины волны генерации в широком спектральном диапазоне в режимах стационарной генерации, переходного процесса и регулярных пульсаций. В структуре на основе легированной сверхрешетки на GaAs диапазон перестройки длины волны излучения может достигать 60 нм. Показана также возможность генерации излучения в режиме самоподдерживающихся пульсаций на двух далеко разнесенных длинах волн [8,13].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Energy levels and absorption and emission spectra of n-i-p-i crystals/ D.V. Ushakov, V.K. Kononenko, I.S. Manak, V.A. Shevtzov// Advances in Synergetics. - 1997. - Vol. 8. - P. 343-351.

2. Ushakov D.V., Kononenko V.K. Variation of the potential relief and emission spectra in doping superlattices under excitation// Physics, Chemistry, and Application of Nanostructures. - Singapore: 1997. - P. 121-124.

3. Kononenko V.K., Manak I.S., Ushakov D.V. Optoelectronic properties and characteristics of doping superlattices// Proc. SPIE. - 1998. -Vol. 3580. - P. 10-27.

4. Ushakov D.V., Kononenko V.K., Manak I.S. Control of optical properties of doping superlattices// Nonlinear Phenomena in Complex Systems. - Minsk: 1999. - P. 144-152.

5. Kononenko V.K., Ushakov D.V. Carrier transport and screening in n-i-p-i crystals// Phys. stat. sol. (b). -1999. - Vol. 211, №■ 2. - P. 743-749.

6. Ушаков Д.В., Кононенко В.К., Манак И.С. Эффекты уширения энергетического спектра легированных полупроводниковых сверхрешеток// ЖПС. - 1999. - Т. 66, №- 5. - С. 711-715.

7. Ushakov D.V., Kononenko V.K. Abnormal character of the diffusivity-mobility ratio in doping superlattices// Nonlinear Phenomena in Complex Systems. - 1999. - Vol. 2, N- 1. - P. 18-23.

8. Ushakov D.V., Afonenko A.A., Manak I.S. Wavelength tuning in injection laser based on doping superlattices at inhomogencous excitation// Lithuanian J. Phys. - 1999. - Vol. 39, N- 4-5. - P. 361-365.

9. Ушаков Д.В., Кононенхо B.K., Манак И.С. Самосогласованный расчет профиля потенциала в легированных сверхрешетках// Математическое моделирование и компьютерные технологии: Тр. Всерос. симп.

- Кисловодск, 1997. - Т. 2. - С. 60-62.

10. Ушаков Д.В., Кононенко В.К., Манак И.С. Влияние флуктуаций концентраций примесей на энергетический спектр легированных сверхрешеток// Лазерная физика и спектроскопия: Тр. III Конф. (Гродно, 1997). - Мн., 1997. - Т. 1. - С. 384-386.

11. Ушаков Д.В., Кононенко В.К. О спектрах люминесценции п-г-рЧгкристаллов// Оптика полупроводников: Тр. Междунар. конф.

- Ульяновск, 1998. - С. 48.

12. Ушаков Д.В., Кононенко В.К., Манак И.С. Эффекты уширения энергетического спектра легированных полупроводниковых сверхрешеток/ / Квантовая электроника: Материалы II Межгос. науч.-тех. конф.

- Минск, 1998. - С.20-21.

13. Ушаков Д.В., Афоненко А.А., Манак И.С. Перестройка спектров усиления в полупроводниковых квантоворазмерных лазерных структурах на основе легированных сверхрешеток с неоднородным возбуждением/ / Лазерная физика и спектроскопия: Материалы IV Междунар. конф. - Гродно, 1999. - Т. 1. - С. 125-127.

14. Ушаков Д.В. Профиль потенциала в легированных сверхрешетках// Физика конденсированных сред: Тез. V Респ. науч. конф. студентов и аспирантов. - Гродно, 1997. - С. 174.

15. Impurity effects and properties of doping superlattices/ V.K. Kononenko, I.S. Manak, V.A. Shevtzov, D.V. Ushakov// Solid State Crystals - Materials Science and Applications: Abstr. Int. Conf. - Zakopane, 1998. - P. 83.

16. Ушаков Д.В. Особенности экранирования и его влияние на энергетические и спектральные характеристики легированных сверхрешеток// Физика конденсированных сред: Тез. док. VII Респ. науч. конф. студентов и аспирантов. - Гродно, 1999. - С. 254-256.

17. Ушаков Д.В., Шибко В.Э. Насыщение поглощения в легированных сверхрешетках//Оптика-99: Тез. докл. Междунар. конф. молодых ученых и специалистов. - С.-Петербург, 1999. - С. 87.

РЕЗЮМЕ

Ушаков Дмитрий Владимирович

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛЕГИРОВАННЫХ СВЕРХРЕШЕТКАХ НА ОСНОВЕ ваАз

Легированные сверхрешетки, п-г-^р-г-кристаллы, потенциальный рельеф, плотность состояний, экранирование, коэффициент диффузии, подвижность, поглощение, усиление, люминесценция, двухсекционный лазер, динамика генерации.

Цель работы: на основе представлений квантовой механики, зонной теории полупроводников и электродинамики сплошных сред установить закономерности изменения энергетических, спектральных и динамических характеристик легированных полупроводниковых сверхрешеток в зависимости от концентрации примесей, толщины легированных слоев, температуры и уровня возбуждения и обосновать возможность создания на основе п-г-р-г-кристаллов лазерных излучателей, перестраиваемых в широком диапазоне длин волн.

Для легированных полупроводниковых сверхрешеток предложены методики расчета профиля потенциальной энергии, позволяющие найти закономерности трансформации потенциального рельефа и изменения его глубины в зависимости от концентраций легирующих примесей, толщины слоев и уровня возбуждения легированной сверхрешетки.

Получены выражения для двухмерных плотности энергетических состояшш и кон центр ации'но сит елех! заряда при гауссовом и экспоненциальном характере хвостов плотности состояний. Проведен сравнительный анализ и изучены закономерности изменения длины экранирования и характеристического параметра хвоста плотности состояний с уровнем возбуждения структуры при учете корреляции в распределении примесей. ■ -;

Исследовано отношение коэффициента диффузии к подвижности носителей тока в п-г-р-г-кристаллах и показано его аномальное уменьшение с ростом уровня возбуждения. Выявлены особенности поведения отношения коэффициента диффузии к подвижности носителей тока при учете фонового экранирования.

Развита теория излучательных переходов в легированных сверхрешетках с учетом хвостов плотности состояний и сужения ширины запрещенной зоны, на основе которой дано объяснение длинноволнового крыла спектров испускания га-г'-р-г-кристаллов.

Проанализированы особенности пороговых характеристик двухсекционной лазерной структуры на основе ¿-легированной сверхрешетки и получены условия перестройки длины волны генерации в широком спектральном диапазоне в режимах стационарной генерации, переходного процесса и регулярных пульсаций на нескольких длинах волн.

РЭЗЮМЕ

Ушакоу Дзштрый УладзЬ-аршич

ЭЛЕКТРОННЫЙ I АПТЫЧНЫЯ ПРАЦЭСЫ У ЛЕИРАВАНЫХ ЗВЫШРАШОТКАХ НА АСНОВЕ ваАв

Лег{раоаныя звышрашоткг, п-г^р-г-крышталг, патэнцыялъны рэлъеф, шчыльнасць станау, экратраванне, каэфщыент дыфузН, ру-хавасцъ, паглынанне, узмацненне, люмгнесцэнцыл, двухсекцыйны лазер, дынамжа генерацьп.

Мэта работы: на аснове прадстауленняу квантавай механш, зон-най тоорьп пауправаднжоу 1 эпектрадынамш суцэльных асяроддзяу устанавщь заканамернасщ змянення онергетычных, спектральных и дынашчных характарыстык лейраваных пауправаднжовых звышрашо-так у залежнасщ ад канцэнтрацьп дамешкау, таушчыш леправаных слаеу, тэмпературы 1 узроушо узбуджэння 1 абгрунтаваць магчымасць стварэння на аснове п-г-р-г-крышталяу лазерных выпраменьвальюкау, перастройваемых у шыроим дыяпазоне даужынь хваляу.

Для леправаных пауправадшковых звышрашотак прапанаваны мстодьпа разлку профшю патэнцыяльнай энергп, дазваляючыя знай-сщ заканамернасщ трансфармацьп патэнцыяльнага рэльефу \ змянення яго глыбпй у залежнасщ ад канцэнтрацый леправальных дамешкау, таушчыш слаеу I узроуня узбуджэння леправанай звышрашотк!.

Атрыманы выразы для двухпамерных шчыльнасщ энергетычных станау 1 канцэнтрацьп носьб1тау зараду пры гаусавым 1 экспаненцый-ным характары хвастоу нгчыльнасщ станау. Праведзены параунальны анал1з 1 вывучаны заканамернасщ омянення даужыш окрашравання 1 характарыстычнага параметра хваста шчыльнасщ станау з узроунем узбуджэння структуры пры улгку карэляцьп у размеркаванш дамешкау.

Даследаваны адносшы каэфщыента дыфузп да рухавасщ нось-б:тау тока у п-г-р-г-хрышталях 1 наказана Ьс анамальнае намяньшэнне з павял1чэннем узроуню узбуджэння. Выяулены асабл1васщ паводзш адносш каэфщыента дыфyзii да рухавасщ носьб1тау тока пры улшу фонавата экрашравання.

Разина тэорыя выпраменьвальных пераходау у леправаных звышрашотках з улшам хвастоу шчыльнасщ станау 1 звужэння шы-рьпп забароненай зоны, на аснове якой дано тлумачэнне даутахвалявага крыла спектрау выпраменьвання п-г-р-г-крышталяу.

Праанал1заваны асабл!васщ пароговых характарыстак двухсек-цыйнай лазернай структуры на аснове б-леправанай звышрашотш 1 вызначаны умовы перастроши даужыш хвал! генерацьп у шыроюм спектральным дыяпазоне у рэжымах стацыянарнай генерацьп, пераход-нага працэсу 1 рэгулярных пульсацый на некальшх даужынях хваляу.

SUMMARY

Ushakov Dmitrii Vladimirovich

ELECTRON AND OPTICAL PROCESSES IN GaAs DOPING SUPERLATTICES

Doping super lattices, n-i-p-i crystals, potential relief, density of states, screening, diffusion, mobility, absorption, gain, luminescence, two-section laser, lasing dynamics.

The thesis aim is to establish on the basis of quantum mechanics, semiconductor band theory and electrodynamics of continuous media the regularities of the energy, spectral, and dynamic characteristics change of semiconductor doping superlattices in dependence on the impurity concentration, doping layer thickness, temperature, and excitation level and to justify a possibility to create lasers based on n-i-p-i crystals tunable in a wide spectral range.

For semiconductor doping superlattices, methods for the potential energy profile calculations offering to find regularities of the potential relief transformation and its depth changes versus the impurity concentrations, layer thickness, and excitation level of doping superlattices are suggested.

The expressions for the two-dimensional density of states and concentrations of charge carriers are obtained at the Gaussian and exponential character of the density state tails. A comparative analysis is performed and the regularities of the change of the screening length and characteristic parameter of the density state tail with the excitation level of structures are investigated taking into account correlations in the impurity distribution.

For n-i-p-i crystals, the ratio between the coefficient of diffusion and mobility of current carriers is investigated and its anomalous decreasing with the excitation level increase is shown. The features of the diffusivity-mobility ratio axe revealed including effects of the background screening.

The theory of radiative transitions in doping superlattices taking into account the density state tails and band gap narrowing is developed and an explanation of the long-wavelength edge in the emission spectra of n-i-p-i crystals is given.

Features of the threshold characteristics of two-section laser structures based on ¿-doping superlattices are analyzed and the conditions of the wavelength tuning in a wide spectral range in the regimes of continuous wave operation, transient, and regular oscillations on several wavelengths are established.