Фотолюминесцентные свойства гетероструктур на основе CdxHg1-xTe с потенциальными и квантовыми ямами, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

0050^'"

На правах рукописи

' "/ ' -г"-""""

Гори Дмитрий Игоревич

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ С(1хНй1.хТе С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ И КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

01.04.10 - физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 О ЛЕК 2012

Томск 2012

005047646

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» на кафедре квантовой электроники и фотоники и в Сибирском физико-техническом институте Томского государственного университета в лаборатории оптической электроники

Научный доктор физико-математических наук, профессор,

руководитель: Войцеховский Александр Васильевич

Официальные оппоненты:

Гермогенов Валерий Петрович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», кафедра полупроводниковой электроники, заведующий кафедрой

Лисицын Виктор Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Кафедра лазерной,и световой техники, заведующий кафедрой

Ведущая Федеральное государственное бюджетное образовательное

организация: учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Защита состоится 13 декабря 2012 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.267.07, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета (г. Томск, пр. Ленина, 34а).

Автореферат разослан «_» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время важное фундаментальное и практическое научное значение имеет проблема создания инфракрасных излучателей, в том числе лазеров, работающих в диапазоне длин волн 3—14 мкм (средний и дальний инфракрасный (ИК) диапазон) при температурах выше 77 К [0]. Привлекательность освоения данного спектрального диапазона заключается в том, что в нём расположены два «окна прозрачности» атмосферы с пропусканием до 80— 90 %, а также в этом диапазоне расположены колебательно-вращательные линии поглощения молекул и комплексов. В связи с этим подобные устройства могут найти широкое применение в науке, а также при решении различных прикладных задач: в системах зондирования атмосферы и мониторинга окружающей среды (контроль содержания газов СО, С02, NO„ S02, СН4 и др.), в технике волоконно-оптической и беспроводной оптической связи, в оптических системах контроля производственных и технологических процессов, в медицинской технике, в промышленных и военных тепловизионных системах и т.д.

В полупроводниковых источниках оптического излучения, основанных на классических принципах, длина волны излучения определяется в основном шириной запрещённой зоны используемого полупроводника. Основной трудностью в разработке ИК-излучателей является повышающаяся доля безызлучательной Оже-рекомбинации по отношению к излучательной рекомбинации избыточных носителей заряда при уменьшении ширины запрещённой зоны. Это приводит к существенному снижению значения внутренней квантовой эффективности излучателя. При этом скорость Оже-рекомбинации также быстро растёт с увеличением температуры, поэтому для её подавления приходится снижать температуру структуры до малых значений (до 77 К и ниже), что налагает существенные ограничения на широкое применение подобных структур в оптоэлектронных приборах. Именно проблема высоких значений скоростей безызлучательной Оже-рекомбинации является основным одерживающим фактором на пути к разработке эффективных ИК-излучателей.

В настоящее время существует несколько направлений решения описанной проблемы. Первое направление, связанное с разработкой внутризонных квантовых каскадных лазеров, развивается не слишком интенсивно из-за того, что каскадные многослойные структуры являются крайне сложными с точки зрения изготовления и воспроизведения параметров. Во втором направлении, характеризующемся попытками создания ИК-излучателей на основе гетеропереходов II типа в материальных системах А В , где Оже-рекомбинация значительно подавлена за счёт пространственного разделения областей существования неравновесных электронов и дырок. Это позволяет надеяться на получение с помощью таких структур ИК-излучения при комнатной температуре. Однако пространственное разделение приводит к тому, что вероятность излучения в таких системах существенно уменьшается [0].

Наряду со сказанным выше, сегодня одним из перспективных направлений в области разработки ИК-излучателей является применение в качестве активной области излучателя наноструктур с квантовыми ямами (КЯ) - слоев узкозонного полупроводника толщиной порядка десятков нанометров, ограниченных широкозонными полупроводниковыми слоями - на основе узкозонного твёрдого раствора Cd^Hg^Te (KPT), относящегося к материальной системе А2В6.

Преимущества использования материала КРТ состоят, во-первых, в том, что он обладает рядом фундаментальных преимуществ по сравнению с соединениями А3В5 и, во-вторых, определяются достигнутым в последние годы высоким уровнем

разработанности технологии выращивания данного материала - метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющего производить гетероструктуры, в том числе и наногетероструетуры, очень высокого качества.

Помимо ряда преимуществ использование квантовых ям в излучателях, их црименение при определённых условиях позволяет существенно снизить скорость Оже-рекомбинации за счёт изменения функции плотности электронных состояний в КЯ и появления запретов на некоторые типы оптических переходов. Например, еще в [0] было теоретически показано, что применение квантовых ям на основе КРТ может позволить снизить скорость безызлучательной Оже-рекомбинации в несколько десятков раз.

Полупроводниковые наноструктуры с квантовыми ямами являются относительно новыми объектами исследований и к настоящему моменту многие аспекты их физических свойств изучены крайне слабо. Это является одним из основных сдерживающих факторов для развития различных направлений практического применения квантовых ям в целом и разработки ИК-излучателей на их основе в частности. В рамках обозначенной проблемы наиболее значимым и актуальным является решение ряда фундаментальных задач, связанных с описанием и прогнозированием свойств наноструктур КРТ с квантовыми ямами. Их решение позволит сформировать фундаментальный базис, позволяющий производить описание и выращивание структур КРТ с квантовыми ямами и успешно воспроизводить их параметры.

Одной из таких фундаментальных задач является исследование фотолюминесцентных свойств, структур КРТ с квантовыми и потенциальными ямами (ПЯ) с составом х = 0,24—0,45 мол. дол. Фотолюминесценция полупроводниковых структур с наноразмерными включениями является мощным инструментом исследования параметров зонной диаграммы полупроводниковых структур и характеристик энергетического спектра носителей заряда. Наряду с этим, исследования фотолюминесценции напрямую дают основу для разработки полупроводниковых светоизлучающих устройств.

Состояние вопроса. В первых работах, посвящённых исследованиям структур КРТ с квантово-размерными эффектами, рассматривались преимущественно сверхрешёточные (CP) структуры, состоящие из чередующихся размерно-квантованных полупроводниковых слоёв. Изготавливались в основном сверхрешёточные структуры HgTe/CdTe, HgTe/CdHgTe, в которых в качестве узкозонно!го слоя выступал HgTe, и большая часть опубликованных работ посвящена именно рассмотрению сверхрешёток III типа. Есть работы (например [0]), в которых рассматриваются структуры CdHgTe / CdTe, однако состав узкозонного слоя здесь, как правило, имеет большие значения (х = 0,85 для работы [0]).

Развитие сверхрешёточных структур стимулировало исследования структур с одиночными и множественными квантовыми ямами, в которых в качестве узкозонного слоя выступает бесщелевой HgTe [0]. Структуры с множественными квантовыми ямами отличаются от сверхрешёток толщиной барьерного слоя, которая превышает среднюю длину туннелирования электронов через барьер, что делдет его непрозрачным для электронов и не приводит к образованию минизон. В настоящее время достигнуты значительные успехи в исследовании оптических свойств данных структур, а также их практических приложений. Данному направлению, как и исследованиям сверхрешёток HgTe/CdTe, посвящено достаточно большое количество работ. Однако эти структуры не подходят для изготовления излучателей ИК-диапазона.

Для разработки эффективных излучателей среднего и дальнего ИК-диапазона необходимы исследования оптических свойств структур с КЯ и, главным образом,

структур с одиночными КЯ, в которых в качестве узкозонного слоя выступает КРТ с составом х = 0,2—0,4 мол. дол. При этом исследованиям оптических свойств структур с одиночными квантовыми ямами на основе КРТ с х = 0,2—0,4 посвящено достаточно мало работ. Также важным моментом является то, что большинство из этих работ являются чисто экспериментальными.

В настоящее время в мире есть несколько научных коллективов, занимающихся разработками данной проблемы. В частности, работы [0—0]. выполненные объединённой группой учёных из различных научных организаций Норвегии, посвящены исключительно экспериментальным исследованиям. Имеется также ряд публикаций, выполненных сотрудниками Физико-технического института им.

A.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург) под руководством К.Д. Мынбаева. Это, например, работы [0—0], в которых наряду с экспериментальными данными рассматриваются также и вопросы интерпретации наблюдаемых результатов.

В работах [0—0], выполненных группой из Института физики полупроводников им.

B.Е. Лашкарева НАН Украины (г. Киев) под руководством профессора Ф.Ф. Сизова, проведено теоретическое рассмотрение и исследование некоторых аспектов оптических свойств структур с квантовыми ямами на основе КРТ.

Из проведённого анализа состояния вопроса по теме исследования можно сделать вывод о том, что в настоящее время имеется значительный недостаток теоретических исследований фотолюминесцентных свойств структур на основе КРТ с одиночными квантовыми ямами с составом х= 0,2—0,4. Нет разработанных физико-математических моделей, учитывающих параметры и особенности конкретных гетерострустур, выращенных методом МЛЭ, и позволяющих количественно интерпретировать экспериментальные данные, а также производить прогнозирование оптических характеристик и параметров гетроэпитаксиальных структур a priori до выращивания.

Целью данной диссертационной работы является создание физико-математической модели фотолюминесценции наногетероэпигаксиальных структур на основе материала CdjHgi.^Te, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, включающих в себя одиночные потенциальные и квантовые ямы, учитывающей наличие размерного квантования в области квантовой ямы, а также полученные с помощью данной модели основные закономерности формирования спектров фотолюминесценции в рассматриваемых структурах.

Для достижения поставленной в работе цели сформулируем основные научные задачи исследовании:

1. Разработка физико-математической модели зонной диаграммы и оптических характеристик легированных гетероструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава по координате, включающих потенциальные и квантовые ямы.

2. Разработка программного обеспечения, позволяющего проводить моделирование зонных диаграмм, расчёт уровней размерного квантования, времён жизни носителей заряда для основных рекомбинационных процессов и спектров фотолюминесценции в легированных наногегероструктурах КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

3. Моделирование спектров фотолюминесценции легированных наногетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

4. Определение основных факторов (состав, толщины слоёв, температура), влияющих на спектры фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также выявление закономерностей влияние данных факторов на вид спектров.

5. Экспериментальное измерение спектров фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

6. Сравнение результатов расчёта спектральных характеристик фотолюминесценции с применением разработанного программного обеспечения с экспериментальными данными.

Сама постановка научных задач в обозначенном контексте, а также её реализация, в том числе учёт ряда параметров материала КРТ, не принимавшихся в расчёт ранее, делает подобную работу новой для КРТ и позволило получить результаты, соответствующие мировому уровню.

Поскольку в рамках данной работы рассматриваются гетероэпитаксиальные структуры на основе материала КРТ с потенциальными и квантовыми ямами, выращенные методом МЛЭ на установке «Обь-М» в Институте физики полупроводников (ИФП) СО РАН, сформулируем основные особенности объекта исследования. Объектом исследований данной диссертационной работы являются гетероэпитаксиальные структуры CdxHgi_xTe, выращенные методом молекулярно лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН г. Новосибирск в лаборатории технологии эпитаксии из молекулярных пучков соединений А2В . Подложка - пластина GaAs с ориентацией поверхности (013), толщиной 400 мкм. Буферный слой ZnTe служит для сохранения ориентации поверхности при дальнейшем росте слоя CdTe. Типичная толщина слоя ZnTe - 25—53 нм, буферного слоя - CdTe 5,2—6,8 мкм.'Далее следует активная- область гетероструктуры, которая может быть окружена варизонными слоями для согласования параметров решётки и уменьшения влияния поверхностных явлений на рекомбинационные процессы. Толщина активного слоя может варьироваться в широких пределах - от десятков нанометров, до десятков микрометров. В активной области располагаются напогетеро структуры -последовательность эпитаксиальных слоёв КРТ различных составов (jc = 0,24—0,45 мол. дол.), образующих потенциальные или квантовые ямы. Толщины слоёв, образующих потенциальные ямы, в рассматриваемых нами структурах, лежат в диапазоне 50—1100 нм. Для случая квантовых ям типичная толщина узкозонного слоя- порядка 10—20 нм. Отдельные участки активной области могут быть легированы индием для управления концентрацией электронов в КРТ «-типа проводимости. На активную область наноситься пассивирующее покрытие, в качестве которого могут выступать слои анодно-окисной пленки, CdTe или Si02/Si3N4.

Исходя из поставленной цели, предметом исследования данной диссертационной работы определим спектры фотолюминесценции наногетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

Как было сказано ранее, проблема исследования фотолюминесценции гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами в обозначенном нами контексте практически никем не разрабатывалась.

Методы исследования выбирались исходя из обозначенных выше научных задач.

I. Описание зонной диаграммы и оптических характеристик легированных гетероструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава по координате, включающих потенциальные и квантовые ямы, производится с помощью физико-математической модели, имеющей как феноменологические, так и квангово-механические предпосылки. В основу модели положено определение энергетических состояний носителей заряда в КЯ путём нахождения самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера. При этом, для увеличения точности расчёта в модели учтён ряд параметров материала КРТ и их зависимостей от состава х и температуры, которые ранее не были описаны в литературе.

Определение зависимостей ионизированных центров в КРТ производится феноменологически - исходя из экспериментальных данных. Зависимость электронного сродства от состава определяется на основании зависимости от состава уровня электронейтральности в КРТ, которая, в свою очередь, рассчитана из первых принципов авторами других работ.

2. Разработка программного обеспечения, реализующего созданную физико-математическую модель и позволяющего проводить моделирование зонных диаграмм, расчёт уровней размерного квантования, времён жизни носителей заряда для основных рекомбинационных процессов и спектров фотолюминесценции в легированных наногетероструктурах КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, производится в среде программирования Delphi 6.

3. Моделирование спектров фотолюминесценции легированных наногетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также исследование влияния на спектры различных факторов (состав, толщины слоев, температура), производится с использованием персональной ЭВМ.

1 4. Измфения спектров фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами проводились в диапазоне температур 84—300 К при оптической накачке полупроводниковым лазером с длиной волны 0,808 мкм с плотностью мощности накачки 180—2100 Вт/см2.

5. Верификация расчетных данных, полученных с применением разработанного программного обеспечения, производится путём сравнения результатов расчёта с экспериментальными данными. При этом доверительные интервалы оцениваются для каждого измерения на основании расчёта погрешности прямых измерений для доверительной вероятности 0,95.

На настоящий момент в научной литературе нет сообщений о проведении подобных исследований для материала КРТ, и такая постановка задачи является полностью оригинальной.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В полупроводниковом твёрдом растворе CtkHgi-xTe зависимость электронного сродства % от стехиометрического состава х в интервале (0,16—1,00) мол. дол. и температуры Т в интервале (4,2—300) К имеет вид:

Х(х,Т) = 5,59-1,29jc + 0,54х2-0,56х3 + 7,13• Ю^Гх [эВ].

2. Физико-математическая модель, основанная на численном решении задачи о нахождении совместного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера, учитывающая зависимость электронного сродства от состава х и температуры Т, а также композиционные зависимости концентраций ионизированных донорных центров Nj в нелегированном и акцепторных центров N~ в вакансионно-легированном КРТ, для гетероэпитаксиальных структур на основе твёрдого раствора CdrHgbITe, включающих потенциальные (толщиной 50—1100 нм) или квантовые (толщиной 10—20 нм) ямы с составом х = 0,24—0,45 мол. дол. и барьерные слои с составом х = 0,50—0,80 мол. дол., легированные индием с концентрацией 1015—1017 см"3 даёт результаты расчёта Положения пиков фотолюминесценции, не более чем на 30 мэВ (10 %) отличающиеся рт наблюдаемых в эксперименте при температурах 77—300 К.

3. В гетероэпитаксиальной структуре на основе твёрдого раствора CdrHgbrTe, включающей квантовую яму толщиной 12,5+1,0 нм и составом х = 0,240+0,001 мол. дол., окружённую барьерными слоями толщиной 31,5±1,0 нм (нижний барьер) с составом х = 0,790+0,001 мол. дол. и 27,0+1,0 нм (верхний барьер) с составом

* = 0,80Q±0,001 мол. дол., легированными индием с концентрацией 1—3-Ю15 см"3, выращенную методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs (013) с буферным слоями CdTe/ZnTe и покрытую слоем CdTe толщиной 40,0±1,0 нм, при оптической накачке лазером с длиной волны излучения X = 0,808 мкм и мощностью 1,65 Вт при температуре 84 К в интервале длин волн 2,3—6,5 мкм наблюдается до трёх полос фотолюминесценции, связанных с излучательными переходами в квантовой яме.

Достоверность основных результатов и выводов работы обеспечивается их непротиворечивостью и согласием с экспериментальными данными по фотолюминесценции структур с одиночными потенциальными и квантовыми ямами, а также с расчётными и эмпирическими данными, полученными авторами других работ, посвященных исследованию оптических свойств гетероструктур КРТ, в том числе с квантовыми ямами.

Новизна результатов. Основные результаты диссертационной работы получены впервые. В частности:

- Определена композиционная и температурная зависимость электронного сродства от состава твёрдого раствора Cd^Hg^Te. Как показано в работе, предложенная зависимость отличается от известных более точным соответствием экспериментальным данным. При этом авторами других работ учитывалась только композиционная зависимость от состава КРТ, а изменение электронного сродства при изменении температуры не принималось в расчёт.

- Предложена оригинальная модель расчёта зонной диаграммы и спектральных характеристик поглощения и фотолюминесценции легированных гетероструктур йа основё КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава, включающих потенциальные и квантовые ямы, основанная на самосогласованном решении уравнений Пуассона и Шрёдингера. Преимуществом предложенной модели является учёт при расчётах и построении профилей энергетических зон зависимости электронного сродства КРТ от состава х и температуры, а также композиционных зависимостей концентраций донорных центров в нелегированном и акцепторных центров в вакансионно-легированном КРТ.

-Теоретически показано, что в структурах с одиночными квантовыми ямами на основе КРТ может наблюдаться одновременно несколько (до трёх) пиков фотолюминесценции в интервале длин волн 2,3—6,5 мкм при температуре 84 К, обусловленных межзонными оптическими переходами между уровнями размерного Квантования в квантовой яме, что получило подтверждение в проведённом эксперименте, где впервые удалось наблюдать более одной полосы фотолюминесценции.

Научная ценность проведённых исследований. Результаты настоящего исследования вносят вклад в понимание электронных процессов в полупроводниковых структурах и, в частности, в структурах пониженной размерности. Предложенная в рамках выполнения диссертационной работы теоретическая модель расчёта оптических характеристик в сложных гетероструктурах на основе КРТ позволяет проводить дальнейшие их исследования.

: Практическая значимость результатов работы заключается в том, что разработанные методики и полученные результаты могут быть использованы при дальнейших исследованиях, направленных на разработку эффективных оптоэлекгронных приборов для среднего (3—5 мкм) и дальнего (8—12 мкм) ИК-диапазонов.

Результаты и материалы диссертационного исследования могут представлять интерес для специалистов в области оптических свойств полупроводников и полупроводниковых наноструктур, а также разработчиков оптоэлектронных

приборов на их основе, и могут найти применение при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по аналогичной тематике.

Личный вклад автора работы. При получении результатов данной работы автором внесен существенный вклад, состоящий в следующем: участие в определении методов и подходов к решению задач диссертации, а также интерпретации полученных результатов. Проведение теоретических исследований, разработка расчётных моделей, проведение расчётов и компьютерного моделирования, обработка и анализ полученных результатов выполнялись преимущественно соискателем. Автором работы совместно с научным руководителем осуществлялось постановка цели, задач исследований и методов их решения. Экспериментальные исследования фотолюминесценции структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами проводились в НПП «Карат» (г. Львов, Украина) при непосредственном участии автора работы.

Связь с плановыми работами. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении ряда НИР, в частости (НИР «Исследование и разработка методов контроля электрофизических свойств приповерхностных слоев ГЭС КРТ МЛЭ методами CV-метрии», являющейся составной частью НИР «Разработка промышленной технологии выращивания гетероэпитаксиальных структур теллурида кадмия-ртути дырочного типа проводимости на оптически прозрачных подложках методом молекулярно-лучевой эпитаксии», шифр «Прозрачность», выполняемой на основании государственного контракта t с Минпромторгом России в рамках Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года».); НИР «Исследование зонной диаграммы наноструктур и свойств границы раздела защитный диэлектрик-гетероэпитаксиальный полупроводник ЮТ», проводимой на основании государственного контракта от 17 августа 2007 г. № 02.523.12.3006 «Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструетур для источников и приемников излучения систем огггического мониторинга», выполняемой в рамках ФЦП «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технсшогического комплекса России на 2007-2012 г.»; НИР «Физические принципы создания фоточувствительных и светоизлучающих наногетероструктур КРТ МЛЭ» в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 г. (per. номер 2.1.2/6551), а также НИР «Физические основы технологии полупроводниковых наногетерострустур КРТ МЛЭ для создания приборов ИК микрофотоэлектроники» (per. номер 2.1.2/12459), являющейся продолжением предыдущего проекта; НИР «Исследование полупроводниковых наногетероструктур КРТ МЛЭ для создания приборов ИК микрофотоэлектроники» в рамках Ведомственной программы МинОбрНауки (гос. per. № 01200903846).

Также результаты работы были использованы при выполнении ряда НИР в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009— 2013 гг.: НИР «Разработка технологии получения нового полупроводникового материала с промежуточной зоной и фотопреобразователей солнечной энергии на основе наногетероструктур Si-Ge с широкой спектральной характеристикой» (госконтракт П234), НИР «Физические основы технологии создания фотопреобразователей солнечной энергии на основе наногетероструктур А4В4 и А2В6» (госконтракт П1662), НИР «Оптические системы на основе лазеров с дискретной и плавно перестраиваемой частотой излучения, оптических преобразователей и сверхскоростных полупроводниковых фотодетекторов, и их технологические применения» (госконтракт № 02.740.11.0444), а также НИР «Разработка и исследование характеристик фоточувствительных элементов на основе структур

CdrHg,.rTc с наноразмерными слоями и структур Si1.IGex с квантовыми точками» (госко1практ Г1281), в которой автор работы являлся руководителем.

' "Апробация работы. Основные результаты работы были обсуждены на следующих семинарах и конференциях: на научных семинарах кафедры квантовой электроники и фотоники ТГУ; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008, 2010, 2012 гг.); Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-15» (Кемерово, 2009 г.); международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); международной конференции É-MRS Fall Meeting (Варшава, 2009 г.); Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2009 г.); II Международной школы-конференции молодых учёных «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2009 г.); Всероссийской молодежной научно-технической Интернет-конференции «Новые материалы, наносистемы и йанотехнологии» (2010 г.); Российско-немецком нанофоруме «Nanophotonics und l4anomaterials» (Томск, 2010 г.); Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» и конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.); II Международной научной конференции «Наноструктурные материалы -2010: Беларусь-Россия-Украина» (Киев, 2010 г.); молодёжной школе-конференции с международным участием «Лазеры и лазерные технологии» (Томск, 2010 г.); XIV Национальной конференции по росту кристаллов и IV Международной конференции «Кристаллофизика XXI века» (Москва, 2010 г.); 5-м Форуме «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy: Symposium and summer school (tutorial lectures)» (Москва-Зеленоград, 2011 г.); Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлекгроники «Фотоника-2011» (Новосибирск, 2011 г.); 5 Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-5) (Ужгород, Украина, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования отражены в 29 публикациях, 12 из которых в статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и в зарубежных научных журналах и 18 в сборниках статей и трудов конференций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируется цель и основные задачи исследований, обосновываются новизна, достоверность, научная ценность и практическая значимость результатов, полученных в процессе проведенных исследований, излагаются основные положения, выносимые на защиту. Представлено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе приведён литературный обзор по теме работы. Рассмотрены вопросы, связанные с изготовлением наногетероструктур на основе КРТ. Описана и проанализирована методика производства наноструктур КРТ методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке МЛЭ «Обь-М».

Показано, что доступная на настоящий момент технология позволяет получать сетероструктуры нанометрового масштаба с произвольным распределением стехиометрического состава по толщине с достаточно высокой точностью поддержания и воспроизведения таких параметров структуры, как состав и толщина слоев. Это обеспечивается применением системы автоматизированного управления технологическим процессом выращивания, а также наличием современного аналитического оборудования, позволяющего in situ контролировать параметры растущей гетроэпитаксиальной структуры.

Анализ работ по фотолюминесценции структур C4Hgi*Te с квантовыми ямами показывал, что эксперименты по получению излучения при оптической накачке проводятся преимущественно в структурах с множественными квантовыми ямами или в сверхрешёточных структурах. При этом во многих структурах с МКЯ толщина квантовых ям превышает толщину барьерных слоёв, что при определённых условиях позволяет приравнять данные структуры к сверхрешёточным.

4 Значительная часть работ посвящена исследованиям структур, в которых в качестве узкозонного слоя используется HgTe, либо сверхрешёткам HgTe/GdTe. Это, по всей видимости, связано с тем, что данные гетеросистемы традиционно рассматривались как альтернатива объёмным материалам при производстве фотоприёмников ИК-диапазона и их технология развита значительно лучше, чем технология сверхрешёток на основе тройного соединения CdrHgi_xTe, поскольку бинарные соединения являются более стабильными.

При этом оптические свойства структур с одиночными квантовыми ямами с узкозонными слоями на основе Cd,Hgi.rTe являются недостаточно исследованными.

Во всех рассмотренных работах в спектрах излучения при оптической накачке наблюдали только одну полосу, связанную с переходом Eci —> Ен - с первого уровня квантования электронов в зоне проводимости на первый уровень квантования тяжелых дырок в валентной зоне. Авторами многих работ также отмечается особенности процессов Оже-рекомбинации, которые в случае квантовых ям отличаются от таких процессов в объемном материале. Те же самые выводы следуют из рассмотрения работ по исследованию оптического поглощения в структурах с множественными квантовыми ямами. Одиночные КЯ в подобных экспериментах не анализируются, так как они не обеспечивают достаточного поглощения. Рассмотренные работы посвящены исследованию либо структур с МКЯ на основе КРТ, либо сверхрешёточных структур с квантовыми ямами на основе КРТ или HgTe.

Обзор оптоэлектронных приборов на основе квантово-размерных структур КРТ показал, что, несмотря на большое количество работ в данном направлении, к настоящему моменту нет промышленно производимых приборов, использующих, размерное квантование в структурах пониженной размерности на основе КРТ.

Вторая глава работы посвящена разработке физико-математической модели описания спектральных характеристик гетреоструктур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. В основу разрабатываемой модели в общем случае положено моделирование энергетической диаграммы посредством совместного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера для структуры с квантовой ямой. ' Правая часть уравнения Пуассона записывалась в системе отсчёта энергий, в которой за нулевую была принята энергия уровня в однородной части структуры. Рассматривалась структура, состоящая из варизонного слоя (ВС) полупроводника, состав которого изменяется от некоторого значения на поверхности (г = 0) до значения, совпадающего с составом однородного полупроводника (П) (z = d), который является полубесконечным. При этом распределение состава в области ВС может быть абсолютно произвольным, включая наличие резких гетерограниц. Энергетическая диаграмма подобной структуры изображена на рис. 1.

Здесь Дх, AEg - изменения сродства к электрону и ширины запрещённой зоны в

слое с переменным составом относительно их значений в области П, q - заряд электрона, ф - потенциал электрического поля с слое ВС, за нулевую энергию принята энергия уровня вакуума в однородном полупроводнике П. Выбор подобной системы отсчёта

энергии позволил при расчётах произвести учёт зависимости электронного сродства от состава х и температуры Т, что для материала КРТ ранее не проводилось.

,Хо+Дх

Е= О

О б г

Рисунок 1 - Схематическая энергетическая диаграмма структуры варизонный слой / однородный полупроводник

В результате для координатных распределений концентраций носителей заряда

в с.Л[ое ВС можно получить следующие выражения:

...........

л(г,<р) = л0ехр

р(г,ф) = р0ехр

^ф(г) + Ах(г) кТ

' \ * / ?ф(г) + Дх(г) + АДя(г) кТ

где и0 и р0 - равновесные концентрации электронов и дырок в слое П, определяемые из решения уравнения электронейтральности для объёма полупроводника.

Уравнение Шрёдингера решалось для асимметричной прямоугольной ямы с барьерами конечной высоты, причём расчёт производился для области «квантового ящика» с шириной, равной 9 толщинам КЯ, в центре которого находилась яма. Из его решения определялись параметры квантовой ямы - волновые функции носителей заряда в яме и положение уровней размерного квантования, определяющие спектральные свойства гетероструктуры с КЯ. На основании этих данных рассчитывались распределения двумерных концентраций носителей заряда в КЯ. . Отдельное место в описании физико-математической модели занимает раздел, посвященный определению вида композиционной и температурной зависимости электронного сродства в КРТ. В литературе имеются некоторые данные о композиционной зависимости электронного сродства от состава х твёрдого раствора КРТ, однако по ряду причин нами была определена своя зависимость, которая находилась исходя из представлений об уровне локальной электронейтральности полупроводника [0]. В результате было получено следующее выражение: Х(х, Т) = 5,59 -1,29х + 0,54х2 - 0,56л3 + 7,13 • 10"4 Тх [эВ], которое „ аппроксимирует зависимость электронного сродства от состава и температуры с гораздо большей степенью точности по отношению к экспериментальным данным, чем иные выражения, приведённые в литературе.

Другим преимуществом представляемой физико-математической модели является то, что в ней произведён учёт композиционных зависимостей концентраций некомпенсированных ионизированных донорных центров N^(x) в нелегированном КРТ в диапазоне составов 0,23 < 1 мол. дол. и акцепторных центров N~ (л) в вакансионно-легированном КРТ в интервале составов 0,22 < х < 0,5 мол. дол. Эти зависимости также были определены нами, исходя из измерений распределения Холловских параметров при послойном травлении варизонных структур КРТ. Полученные композиционные зависимости нескомпенсированных примесных центров имеют следующий вид:

/С 0) = 0'26* " °>26)'1 °'6 Гсм"31, N; (х) = (-26,1* +1 б, 7) • 10" [см'3].

Отметим, что данные величины не отражают абсолютное число ионизированных примесных центров в структуре, а являются по сути избытком центров одного типа по сравнению с центрами другого типа. Как показал литературный обзор, для материала КРТ при расчётах профилей потенциала в гетероструктурах учёт подобных зависимостей ранее не производился. ' На основании полученных данных о параметрах зонной диаграммы можно рассчитать спектральные характеристики структур с потенциальными или квантовыми ямами - спектры фотолюминесценции и спектры оптического поглощения при межподзонных и межзонных переходах носителей заряда. Спектры люминесценции рассчитывались в рамках теории Ван-Русбрека-Шокли. Также проводятся оценки скоростей рекомбинации при излучательной и Оже-рекомбинации для наиболее вероятных типов переходов.

В третьей главе приводятся результаты теоретического исследования спектральных характеристик гетроструюур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами.

На рисунке 2 представлены спектральные зависимости интенсивности фотолюминесценции для структуры КРТ с потенциальной ямой толщиной 200 нм и составом jc = 0,41 при различных значениях температуры. Видно, что с ростом температуры максимум излучения смещается в коротковолновую область ИК-спектра, что определяется температурной зависимостью ширины запрещённой зоны КРТ. Данные закономерности находят подтверждение на экспериментальных спектрах, если принять в расчёт сдвиг спектра в длинноволновую область за счёт уширения уровня донорной примеси и его слияния с зоной проводимости.

Рисунок 3 демонстрирует зависимость положения пика люминесценции в структуре с ПЯ толщиной 200 нм от состава х. Видно, что состав в значительной степени влияет на спектральные характеристики структур. Как следует из представленных кривых, применение КРТ различных составов позволяет перекрыть практически всю значимую часть ИК-спектра излучения. Однако следует учесть тот факт, что при малых значениях состава (* = 0,21—0,24) доминирующим рекомбинационным процессом в КРТ является механизм Оже. В связи с этим в экспериментах излучение в КРТ с составом х < 0,24 получить крайне сложно.

Смещение пика излучения в длинноволновую область при уменьшении состава х связано с изменением ширины запрещённой зоны а его уширение можно объяснить заполнением вышележащих уровней в зонах при малых значениях £е.

На рисунке 4 представлены зонные диаграммы для структуры с квантовой ямой Hgo.73Cdo.27Te/Hgo.14Cdo.86Te толщиной 10 нм при двух разных температурах. Уровни размерного квантования рассчитаны для области «квантового ящика», и их значения приведены в Таблице 1. Из таблицы видно, что положение уровней слабо

зависит от температуры. Здесь Есп, Е,п, ЕНп - энергии уровней размерного квантования электронов, лёгких и тяжёлых дырок, соответственно. Индексы с, и с2 обозначают первую и вторую подзоны размерного квантования электронов, а индексы ¡¡, Л, и 12, И2 - первые и вторые подзоны размерного квантования лёгких и тяжёлых дырок.

2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 [.т

Рисунок 2 - Спектры люминесценции структуры с ПЯ (¿= 200 нм,х = 0,41) при различных значениях температуры

счМ7нд073те

-4,4-

-4(1-1

-4,8-

СП

т -5.0-

ПС

£ т5,2-

X 03 -5,4-

-5,6-

-5 Я-

Сво.«н9о.,<Тв

Сйо.юН9о.„Тв _£,

7"= 77«

0.45 0,50 0,55

Координата, мкм

1,0 0,8 0,6 0,4

ш 0,2

х

0,0

• х=0,21

-х=0,24

-х=0,28

---х=0,60

10

х, цт

15

20

Рисунок 3 - Спектры люминесценции структуры с ПЯ (с/= 200 нм) при температуре Т= 77 К при различных значениях состава*

<Ч*н91ВТе

.0,40

0,45 0,50 0,55

Координата, мкм

Рисунок 4 - Профили энергетических зон в структуре с КЯ С^.к^о.мТе/Сс^Ь^зТе шириной 10 нм при температурах 77 К (а) и 300 К (б)

т, к Положение уровней размерного квантования

Я.1.ЭВ £„,эВ £,2,эВ Еи, эВ . эВ

77 0,061 0,188 0,050 0,233 0,007 0,022

300 0,057 0,178 0,045 0,196 0,007 0,022

При изменении температуры существенно смещается уровень Ферми в структуре. Это оказывает влияние на заселённость уровней размерного квантования в яме, то есть на концентрацию двумерных носителей заряда. Также изменяется эффективная ширина запрещённой зоны узкозонного слоя со значения

Е\ = 0,195 эВ при Т = 77 К до £* = 0,250 эВ при Т= 300 К, что является основной причиной сдвига линий излучения.

Таблица 2 - Характеристика оптических переходов в исследуемой структуре_

Возможные типы переходов

Г, К Межподзонный Межзонный Межзонный Межзонный Межзонный

с, —> с,, эВ с, -»/,, эВ с2 /2, эВ с, -> А,, эВ с2 toj, эВ

77 0,126 0,306 0,616 0,264 0,399

300 0,121 0,353 0,624 0,314 0,455

Из сравнения представленных на рисунке 4 зонных диаграмм видно, что при изменении температуры имеет место изменение профиля энергетических зон, что влияет на величины разрывов энергетических зон. При этом величина барьера для электронов в зоне проводимости, равная 0,745 эВ при 77 К уменьшается при повышении температуры до величины 0,657 эВ при 300 К. Высота барьера для дырок уменьшает свое значение с 0,318 эВ при 77 К до 0,265 эВ при 300 К. Изменение высот барьеров для электронов и дырок в квантовых ямах сказывается на их свойствах только в случае узких КЯ, когда уровни размерного квантования лежат на границе дискретный спектр / континуум. В данном случае высота барьера влияет на положение уровней размерного квантования и, следовательно, на оптические свойства структуры.

Степень сдвига уровней размерного квантования и энергий оптических переходов для рассматриваемой структуры при изменении температуры можно оценить из данных, приведённых в таблицах 1 и 2.

В четвёртой главе проводится описание результатов экспериментального исследования структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами, а также теоретический анализ исследуемых структур. Для возбуждения фотолюминесценции в Данном эксперименте используется мощный полупроводниковый лазер с длиной волны = 0,808 мкм в непрерывном режиме при различных уровнях накачки: 100 мВг, 490 мВт; 900 мВт; 1400 мВт. Для регистрации излучения используется светосильный монохроматор МДР-2 и охлаждаемый фоторезистор Ge:Au. Измерения проводятся в интервале температур от азотной (84 К) до комнатной.

На рисунке 5 приведено схематическое изображение структуры на основе КРТ с квантовой ямой толщиной 12,5 нм и составом узкозонного слоя д; = 0,24 мол. дол., которая исследовалась в эксперименте.

На рисунке 6 приведены результаты измерений спектров фотолюминесценции рассматриваемой структуры, а также рассчитанные с помощью предложенной в работе физико-математической модели положения пиков излучения. В таблице 3 приведена сравнительная характеристика возможных типов излучательных переходов в рассматриваемой структуре. В таблице приведены также данные расчёта отношения скоростей излучательной (R) и Оже-рекомбинации (G) в рассматриваемой КЯ.

Исходя из анализа расчётных данных из таблицы 3 и экспериментального спектра, можно сделать вывод о том, что наблюдаемые в эксперименте пики люминесценции 0,320 эВ (измерение 1) и 0,308 эВ (измерение 2) обусловлены переходами в КЯ с2 -»/¡2, а пик 0,500 эВ (измерение 2) связан с переходом с2 -> /2. Увеличения интенсивности излучения в области 0,19—0,27 эВ (измерение 2) и пик люминесценции 0,225 эВ (измерение 1) можно связать с переходами с, —»/, и с, -> Л,.

На основании сравнения расчётных и экспериментальных данных, а также после сопоставления результатов моделирования с результатами, полученными авторами других работ, был сделан вывод о том, что предложенная в данной работе физико-математическая

Модель описания спектральных характеристик структур КРТ с потенциальными и рантовыми ямами даёт результаты, адекватно описывающие эксперимент.

С'<Пс ' ZnTc / (013) CiaAs

Нарьсркый ело»

Cd .II» Тс. <1-27им

КЯ С'СЛьДс </- 12.5 им Барьерный слой

Слои. легированный In, d - 14.7 им J " 7.5 им cl- ¡i.X км Слой, -югпрокапник [п. {J ■ 14.3 им

,/ - 8.8 им

Рисунок 5 - Схематическое изображение исследуемой в работе гетероэпитаксиальной структуры на основе КРТ с одиночной КЯ

Энергия кванта. эВ

Рисунок 6 - Спектр фотолюминесценции структуры с одиночной КЯ Cdo.8Hgo.2Te / Cdo.24Hgo.76Te (12,5 нм) /Cdo.79Hgo.1Te при Г= 84 К

Таблица 3 - Характеристика излучательных переходов в исследуемой структуре с КЯ

Тип перехода Энергия кванта, эВ Длина волны X, мкм RIG

с, /, 0,241 5,15 1,95

с2->/2 0,502 2,48 3733,00

с,-»А, 0,204 6,09 1,15

0,317 3,89 317,12

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты, полученные в ходе проведения исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определена композиционная и температурная зависимость электронного сродства от состава твёрдого раствора СсУН^.Ле в интервале составов * = 0,16— 1,00 мол. дол. и температуры Т в интервале 4,2—300 К,

2. Определены композиционные зависимости концентраций ионизированных донорных центров Л^ в нелегированном СсУ^.Де в диапазоне составов 0,23 <х<1 и акцепторных центров Л'; в вакансионно-легированном Ссу-^ьЛ'е в интервале составов 0,22 < х < 0,5 .

3. Предложена оригинальная модель расчёта зонной диаграммы и спектральных характеристик поглощения и фотолюминесценции легированных гетероструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава, в том числе включающих квантовые ямы, на основе самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера, учитывающая зависимость электронного сродства от состава * и температуры Т, а также композиционные зависимости концентраций ионизированных донорных центров N* в нелегированном и акцепторных центров в вакансионно-легированном КРТ.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить моделирование зонных диаграмм, расчёт уровней размерного квантования, времён жизни носителей заряда для основных рекомбинационных процессов и спектров фотолюминесценции в гетероструктурах КРТ с потенциальными и квантовыми ямами.

5. Проведено моделирование спектров фотолюминесценции ряда гетероструктур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. Проведено сравнение результатов расчёта с экспериментом. Показано, что созданная модель обеспечивает хорошее соответствие с экспериментальными данными при отклонении в значении положения пиков люминесценции не более 10 %.

6. Теоретически показано, что в структурах с одиночными квантовыми ямами на основе КРТ при температуре 84 К может наблюдаться одновременно несколько (до трёх) пиков фотолюминесценции в интервале длин волн 2,3—6,5 мкм, обусловленных межзонными оптическими переходами между уровнями размерного квантования, что нашло подтверждение в проведённом эксперименте.

7. Показано, что предложенная физико-математическая модель описания спектров фотолюминесценции для гетероэпитаксиальных структур на основе твёрдого раствора CdrHgi_*Te, включающих потенциальные (толщиной 50—1100 нм) или квантовые (толщиной 10—20 нм) ямы с составом * = 0,24—0,45 мол. дол. и барьерные слои с составом х =0,50—0,80 мол. дол., легированные индием с концентрацией 10 — 1017 см"3 даёт результаты расчёта положения пиков фотолюминесценции, не более чем на 10 % отличающиеся от наблюдаемых в эксперименте.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях в рецензируемых научных журналах и в зарубежных журналах:

4 1. Горн Д.И. Расчет зонных диаграмм варизонных структур КРТ с учётом изменения электронного сродства при изменении состава / Д.И. Горн, С.Н. Несмелое, А.П. Коханенко, А.В. Войцеховский // Изв. вузов: Физика. - 2008. -№ 9/3. - С. 134-137.

2. Горн Д.И. Расчёт ВФХ МДП-структур на основе варизонного КРТ с учетом зависимости электронного сродства от состава / Д.И. Горн, С.Н. Несмелое, А.П. Коханенко, А.В. Войцеховский // Изв. вузов: Физика. - 2008. - № 9/3. - С. 138-142.

3. Горн Д.И. Формирование спектральных характеристик наногетероструктур на основе CdxHg,.,Te (х = 0,2—0,4) / Д.И. Горн, А.В. Войцеховский, И.И. Ижнин // Изв. вузов: Физика. -2009.-№ 12/2. -С. 37-41.

4. Voitsekhovskii A.V. Energy-band diagrams and capacity-voltage characteristic of Cd,Hgi.xTe-based variband structures calculated with taking into account the dependence of electron afïînity on a composition / A.V. Voitsekhovskii, D.I. Gom, S.N. Nesmelov, A.P. Kokhanenko // Opto-Electronics Review. - 2010. - Vol. 18, N 3. - P. 241-245.

5. Горн Д.И.Спектры излучения гетероструктур КРТ с одиночной квантовой ямой в диапазоне 3—6 мкм при оптической накачке / Д.И. Горн, А.В. Войцеховский, И.И. Ижнин // Изв. вузов: Физика.-2010.-№9/3.-С. 137-138.

6. Горн Д.И. Анализ спектра фотолюминесценции структуры КРТ с одиночной квантовой ямой / Д.И. Горн, А.В. Войцеховский, И.И. Ижнин // Изв. вузов: Физика. - 2010. -№ 9/3. - С. 139-140.

7. Gom D.I. Investigation of photoluminescence spectra in CdHgTe quantum wells / D.I. Gorn, A.V. Voitsekhovskii, I.I. Izhnin // Изв. вузов: Физика. - 2010. - № 9/3. - С. 321-322.

8. Горн Д.И. Исследование спектров фотолюминесценции гетероструктур КРТ с квантовыми ямами / Д.И. Горн, А.В. Войцеховский, И.И. Ижнин // Изв. вузов: материалы электронной техники. - 2011. - № 3. - С 26-29.

9. Войцеховский А.В. Наблюдение и анализ излучения в диапазоне 2,5—6 мкм в одиночной квантовой яме Cd<,,24Hgo,76Te толщиной 12,5 нм при оптической накачке / А.В. Войцеховский, Д.И. Горн, И.И. Ижнин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2011. - Т. 24, № 2, ч. 2. - С. 142-146.

10. Войцеховский А.В. Теоретическая модель описания спектров фотолюминесценции структур КРТ с квантовыми ямами/ А.В. Войцеховский, Д.И. Горн // Изв. вузов: Физика. - 2012. -№8/2.-С. 251-252.

11. Войцеховский А.В. Анализ спектров фотолюминесценции гетероэпитаксиальных структур на основе C&Hgi^Te с потенциальными и квантовыми ямами, выращенных методом молекулярно-jjy4eeoft эпигаксии / А.В. Войцеховский, Д.И. Горн, И.И. Ижнин, А.И. Ижнин, В.Д. Гольдин, Н.Н. Михайлов, С.А. Дворецкий, Ю.Г. Сидоров, М.В. Якушев, B.C. Варавин // Изв. вузов: Физика. - 2012. - № 8. - С. 50-55.

12. Voitsekhovskii A.V. Theoretical model for description of single CdHgTe quantum well photoluminescence spectra / AV. Voitsekhovskii, D.I. Gorn // Изв. вузов: Физика - 2012. - № 8/3. - С. 251-252.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

I. HgCdTe molecular beam epitaxy material for microcavity light emitters: Application to gas detection in the 2-6 mkm range / J.P. Zanatta, F. Noel, P. Ballet, N. Hdadach, A. Million, G. Destefanis, E. Mottin, С. Kopp, E. Picard, E. Hadji // J. Electron. Mater. - 2003. - Vol. 32, X» 7. - P. 602-607.

X Зегря Г.Г. Полупро1водниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона: достижения и проблемы // Соросовский образовательный журнал. - 2001. - Т. 7, № 6. - С. 70-74.

3 Carrier Lifetimes and Threshold Currents in HgCdTe Double Heterostructure and Multiquantum-Well Lasers / Y. Jiang, M.C. Teich, W.I. Wang US. Appl. Phys. - 1991. - Vol. 69. - P. 6869-6875.

4. Dependence of Hgi.xCd,Te-CdTe superlattices band structure on well and barrier thickness, strain, valence-band offset, and well composition / J.R. Meyer, F.J. Bartoli, C.A. Hoffman, J.N. Shulman // Phvs. Rew. B. - 1988. - V. 38, № 17. - P. 12457-12464.

5. Exitation density dependence of the photoluminescence from CdJtfgi.,Te multiple quantum wells / C.R. Tonheim, E. Selvig, S. Nicolas, A.E. Gunnaes, M. Breivik, R. Haakenaasen // J. Physics: Conference Series.-2008.-V. 100.-042024.

6. Photoluminescence from Cd.tHg,.rTe / M. Breivik, E. Selvig, C.R. Tonheim, E. Brendhagen, T. Brudevoll, A.D. van Rheenen, H. Steen, S. Nicolas, T. Lorentzen, R. Haakenaasen // Journal of Physics: Conference Series. - 2008. - V. 100. - P. 042041.

7. HgCdTe research at FFI: Molecular beam epitaxy growth and characterization / R. Haakenaasen, E. Selvig С R. Tonheim, K.O. Kongshaug, L. Trsdahl-Iversen, J.B. Andersen, P. Gundersen // J. Electron. Mater.'-2010.-DOI: 10.107//sl 1664-010-1211-7. - 10 p.

8. Фотолюминесценция наногетероструктур на основе CdHgTe / К.Д. Мынбаев, H.JI. Баженов,

B.И. Иванов-Омский, А.В. Шиляев, B.C. Варавин, Н.Н. Михайлов, С.А. Дворецкий, Ю.Г. Сидоров // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36, вып. 23 - С. 70-77.

9. Фотолюминесценция гетероструктур на основе Hgi-.Cd^Te, выращенных методом молекулярно-лучевой эпигаксии / К.Д. Мынбаев, H.JI. Баженов, В.И. Иванов-Омский, Н.Н.Михайлов, М.В. Якушев, А.В. Сорочкин, В.Г. Ремесник, С.А. Дворецкий, B.C. Варавин, Ю.Г. Сидоров // Физика и техника полупроводников. - 2011. - Т. 45, вып. 7 - С. 900-907.

10. Оптические переходы в квантовых ямах на основе CdJFIgi.,Te и их анализ с учетом особенностей зонной структуры / H.JI. Баженов, А.В. Шиляев, К.Д. Мынбаев, Г.Г. Зегря // Физика и техника полупроводников. - 2012. - Т. 46, вып. 6. - С. 792-797.

II. Гуменюк-Сычевская Ж.В. Расчеты спектров электронов и времен релаксации в квантовой яме CdTe/HgwCd.Te/CdTe для различных ее параметров / Ж.В. Гуменюк-Сычевская, Е.А. Мележик//Прикладная физика.-2012.-№ 1. -С. 101-106.

12. Мележик Е.А. Моделирование времен релаксации и энергетического спектра квантовой ямы CdTe/Hgi-tCd,Te/CdTe при варьировании разрыва валентных зон, ширины ямы и состава х / Е А. Мележик, Ж.В. Гуменюк-Сычевская, Ф.Ф. Сизов // Физика и техника полупроводников. -2010.-Т. 44,№10.-С. 1365-1371.

13. Брудный В.Н. Локальная электронейтральность и закрепление химического потенциала в твердых растворах соединений III-V: границы раздела, радиационные эффекты / В.Н. Брудный,

C.Н. Гриняев//Физика и техника полупроводников. - 1998.-Т. 32, № З.-С. 315-318.

Отпечатано на участке оперативной полиграфии редакционно-издательского отдела ТГУ

Заказ от «8» ноября 2012 г. Тираж 110 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

1 Аналитический обзор литературных источников.

1.1 Метод МЛЭ для получения наноразмерных структур на основе КРТ.

1.2 Технология изготовления наногетероструктур КРТ.

1.3 Фотолюминесценция в структурах КРТ с квантовыми ямами.

1.4 Оптическое поглощение в структурах КРТ с квантовыми ямами.

1.5 Оптоэлектронные приборы на основе квантово-размерных структур КРТ.

1.6 Выводы по главе 1.

2 Физико-математическая модель описания спектральных характеристик структур КРТ с квантовыми ямами.

2.1 Методика расчёта профиля потенциала в гетероструктурах на основе КРТ.

2.1.1 Постановка задачи.

2.1.2 Концентрации носителей заряда в однородном полупроводнике.

2.1.3 Концентрации носителей заряда в квантовой яме.

2.1.4 Неравновесные носители заряда.

2.1.5 Уравнение Пуассона.

2.1.6 Зависимость электронного сродства от состава х в КРТ.

2.1.7 Учёт эффекта размерного квантования в квантовой яме при расчёте профиля потенциала.

2.2 Спектральные характеристики ГЭС КРТ МЛЭ.

2.2.1 Спектральные характеристики структур КРТ с потенциальными ямами.

2.2.2 Спектральные характеристики структур КРТ с квантовыми ямами.

2.3 Методы моделирования рекомбинационных процессов.

2.4 Выводы по главе 2.

3 Расчёт спектральных характеристик гетероструктур КРТ с квантовыми ямами.

3.1 Спектральные характеристики структур КРТ с потенциальными ямами

3.1.1 Оптическое поглощение в объёмном КРТ.

3.1.2 Фотолюминесценция в структурах на основе объёмного КРТ.

3.2 Спектральные характеристики структур КРТ с квантовыми ямами.

3.2.1 Межподзонное поглощение в квантово-размерных структурах на основе КРТ.

3.2.2 Межзонное поглощение в квантово-размерных структурах на основе КРТ МЛЭ.

3.2.3 Фотолюминесценция в структурах КРТ с квантовыми ямами.

3.3 Выводы по главе 3.

4 Экспериментальное исследование фотолюминесценции структур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

4.1 Описание экспериментальной методики.

4.2 Фотолюминесценция структур КРТ с потенциальными ямами.

4.3 Фотолюминесценция структур КРТ с квантовыми ямами.

4.4 Выводы по главе 4.

Актуальность темы исследования. В настоящее время важное фундаментальное и практическое научное значение имеет проблема создания инфракрасных излучателей, в том числе лазеров, работающих в диапазоне длин волн 3—14 мкм (средний и дальний инфракрасный диапазон) при температурах выше 77 К [1, 2]. Привлекательность освоения данного спектрального диапазона заключается в том, что в нём расположены два «окна прозрачности» атмосферы с пропусканием до 80—90 %, а также в этом диапазоне расположены колебательно-вращательные линии поглощения молекул и комплексов. В связи с этим подобные устройства могут найти широкое применение в науке, а также при решении различных прикладных задач: в системах зондирования атмосферы и мониторинга окружающей среды (контроль содержания газов СО, СО2, N0*, БОг, СН4 и др.), в технике волоконно-оптической и беспроводной оптической связи, в оптических системах контроля производственных и технологических процессов, в медицинской технике, в промышленных и военных тепловизионных системах и т.д.

В полупроводниковых источниках оптического излучения, основанных на классических принципах, длина волны излучения определяется в основном шириной запрещённой зоны используемого полупроводника. Основной трудностью в разработке ИК-излучателей является повышающаяся доля безызлучательной Оже-рекомбинации по отношению к излучательной рекомбинации избыточных носителей заряда при уменьшении ширины запрещённой зоны. Это приводит к существенному снижению значения внутренней квантовой эффективности излучателя. При этом скорость Оже-рекомбинации также быстро растёт с увеличением температуры, поэтому для её подавления приходится снижать температуру структуры до малых значений (до 77 К и ниже), что налагает существенные ограничения на широкое применение подобных структур в оптоэлектронных приборах.

Именно проблема высоких значений скоростей безызлучательной Оже-рекомбинации является основным сдерживающим фактором на пути к разработке эффективных ИК-излучателей.

В настоящее время существует несколько направлений решения описанной проблемы. Первое направление, связанное с разработкой внутризонных квантовых каскадных лазеров, развивается не слишком интенсивно из-за того, что каскадные многослойные структуры являются крайне сложными с точки зрения изготовления и воспроизведения параметров. Во втором направлении, характеризующемся попытками создания ИК

3 5 излучателей на основе гетеропереходов II типа в материальных системах А В , Оже-рекомбинация значительно подавлена за счёт пространственного разделения областей существования неравновесных электронов и дырок. Это позволяет надеяться на получение с помощью таких структур ИК-излучения при комнатной температуре. Однако пространственное разделение приводит к тому, что вероятность излучения в таких системах существенно уменьшается [3].

Наряду со сказанным выше, сегодня одним из перспективных направлений в области разработки ИК-излучателей является применение в качестве активной области излучателя наноструктур с квантовыми ямами - слоев узкозонного полупроводника толщиной порядка десятков нанометров, ограниченных широкозонными полупроводниковыми слоями - на основе узкозонного твёрдого раствора Cd^Hgi^Te, относящегося к материальной системе А В .

Особенности использования материала КРТ состоят, во-первых, в том, что он обла

-1 с дает рядом фундаментальных преимуществ по сравнению с соединениями

А В и, вовторых, определяются достигнутым в последние годы высоким уровнем разработанности технологии выращивания данного материала - метода молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющего производить гетероструктуры, в том числе и наногетероструктуры, очень высокого качества.

Помимо ряда преимуществ использования квантовых ям в излучателях, их применение при определённых условиях позволяет существенно снизить скорость Оже-рекомбинации за счёт изменения функции плотности электронных состояний в КЯ и появления запретов на некоторые типы оптических переходов. Например, ещё в [4] было теоретически показано, что применение квантовых ям на основе КРТ может позволить снизить скорость безызлучательной Оже-рекомбинации в несколько десятков раз.

Полупроводниковые наноструктуры с квантовыми ямами являются относительно новыми объектами исследований и к настоящему моменту многие аспекты их физических свойств изучены крайне слабо. Это является одним из основных сдерживающих факторов для развития различных направлений практического применения квантовых ям в целом и разработки ИК-излучателей на их основе в частности. В рамках обозначенной проблемы наиболее значимым и актуальным является решение ряда фундаментальных задач, связанных с описанием и прогнозированием свойств наноструктур КРТ с квантовыми ямами. Их решение позволит сформировать фундаментальный базис, позволяющий производить описание и выращивание структур КРТ с квантовыми ямами и успешно воспроизводить их параметры.

Одной из таких фундаментальных задач является исследование фотолюминесцентных свойств структур КРТ с квантовыми и потенциальными ямами с составом х = 0,24— 0,45 мол. дол. Фотолюминесценция полупроводниковых структур с наноразмерными включениями является мощным инструментом исследования параметров зонной диаграммы полупроводниковых структур и характеристик энергетического спектра носителей заряда. Наряду с этим, исследования фотолюминесценции напрямую дают основу для разработки полупроводниковых светоизлучающих устройств.

Состояние вопроса. В первых работах, посвященных исследованиям структур КРТ с квантово-размерными эффектами, рассматривались преимущественно сверхрешёточные структуры, состоящие из чередующихся размерно-квантованных полупроводниковых слоёв [5—19]. Изготавливались в основном сверхрешёточные структуры HgTe / CdTe, HgTe / CdHgTe, в которых в качестве узкозонного слоя выступал HgTe, и большая часть опубликованных работ посвящена именно рассмотрению сверхрешёток III типа. Есть работы (например [6]), в которых рассматриваются структуры CdHgTe / CdTe, однако состав узкозонного слоя здесь, как правило, имеет большие значения (х = 0,85 для работы [6]).

Развитие сверхрешёточных структур стимулировало исследования структур с одиночными и множественными квантовыми ямами, в которых в качестве узкозонного слоя выступает бесщелевой HgTe [6]. Структуры с множественными квантовыми ямами отличаются от сверхрешёток толщиной барьерного слоя, которая превышает среднюю длину туннелирования электронов через барьер, что делает его непрозрачным для электронов и не приводит к образованию минизон. В настоящее время достигнуты значительные успехи в исследовании оптических свойств данных структур, а также их практических приложений. Данному направлению, как и исследованиям сверхрешёток HgTe/CdTe, посвящено достаточно большое количество работ [20—27]. Однако эти структуры не подходят для изготовления излучателей ИК-диапазона.

Для разработки эффективных излучателей среднего и дальнего ИК-диапазона необходимы исследования оптических свойств структур с КЯ и, главным образом, структур с одиночными КЯ, в которых в качестве узкозонного слоя выступает КРТ с составом х = 0,2—0,4 мол. дол. При этом исследованиям оптических свойств структур с одиночными квантовыми ямами на основе КРТ с х = 0,2—0,4 посвящено крайне мало работ. Также важным моментом является то, что большинство из этих работ являются чисто экспериментальными.

В настоящее время в мире есть несколько научных коллективов, занимающихся разработками данной проблемы. В частности, работы [28—30], выполненные объединённой группой учёных из различных научных организаций Норвегии, посвящены исключительно экспериментальным исследованиям. Имеется также ряд публикаций, выполненных сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург) под руководством К.Д. Мынбаева. Это, например, работы [31—33], в которых наряду с экспериментальными данными рассматриваются вопросы интерпретации наблюдаемых результатов на основе теоретического анализа.

В работах [34—35], выполненных группой из Института физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины (г. Киев) под руководством профессора Ф.Ф. Сизова, проведено теоретическое рассмотрение и исследование оптических свойств структур с квантовыми ямами на основе КРТ.

Из проведённого анализа состояния вопроса по теме исследования можно сделать вывод о том, что в настоящее время имеется значительный недостаток теоретических исследований фотолюминесцентных свойств структур на основе КРТ с одиночными квантовыми ямами с составом х = 0,2—0,4. Нет разработанных физико-математических моделей, учитывающих параметры и особенности конкретных гетероструктур, выращенных методом МЛЭ, и позволяющих количественно интерпретировать экспериментальные данные, а также производить прогнозирование оптических характеристик и параметров гетроэпи-таксиальных структур a priori до выращивания.

Целью данной диссертационной работы является создание физико-математической модели фотолюминесценции наногетероэпитаксиальных структур на основе материала CdxHgixTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, включающих в себя одиночные потенциальные и квантовые ямы, учитывающей наличие размерного квантования в области квантовой ямы, а также получение с помощью данной модели основных закономерностей формирования спектров фотолюминесценции в рассматриваемых структурах.

Для достижения поставленной в работе цели сформулируем основные научные задачи исследовании:

1. Разработка физико-математической модели зонной диаграммы и оптических характеристик легированных гетероструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава по координате, включающих потенциальные и квантовые ямы.

2. Разработка программного обеспечения, позволяющего проводить моделирование зонных диаграмм, расчёт уровней размерного квантования, времён жизни носителей заряда для основных рекомбинационных процессов и спектров фотолюминесценции в легированных наногетероструктурах КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

3. Моделирование спектров фотолюминесценции легированных наногетерострук-тур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

4. Определение основных факторов (состав, толщины слоев, температура), влияющих на спектры фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также выявление закономерностей влияния данных

Лоь-ггтпо и я им л гттртгтппп

WAV i- V V/ JJ XXM VXA^XV Л. w 1# •

5. Экспериментальное измерение спектров фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

6. Сравнение результатов расчёта спектральных характеристик фотолюминесценции с применением разработанного программного обеспечения с экспериментальными данными.

Сама постановка научных задач в обозначенном контексте, а также её реализация, в том числе учёт ряда параметров материала КРТ, не принимавшихся в расчёт ранее, делает подобную работу новой для КРТ и позволило получить результаты, соответствующие мировому уровню.

Поскольку в рамках данной работы рассматриваются гетероэпитаксиальные структуры на основе материала КРТ с потенциальными и квантовыми ямами, выращенные методом МЛЭ на установке «Обь-М» в Институте физики полупроводников (ИФП) СО РАН, сформулируем основные особенности объекта исследования. Объектом исследований данной диссертационной работы являются гетероэпитаксиальные структуры CdvHgiYTe, выращенные методом молекулярно лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН г. Новосибирск в лаборатории технологии эпитаксии из молекулярных пучков соединений А2В6. Подложка - пластина GaAs с ориентацией поверхности (013), толщиной 400 мкм. Буферный слой

ZnTe служит для сохранения ориентации поверхности при дальнейшем росте слоя CdTe. Типичная толщина слоя ZnTe - 25—53 нм, буферного слоя - CdTe 5,2—6,8 мкм. Далее следует активная область гетероструктуры, которая может быть окружена варизонными слоями для согласования параметров решётки и уменьшения влияния поверхностных явлений на рекомбинационные процессы. Толщина активного слоя может варьироваться в широких пределах - от десятков нанометров, до десятков микрометров. В активной области располагаются наногетероструктуры - последовательность эпитаксиальных слоев КРТ различных составов (х = 0,24—0,45 мол. дол.), образующих потенциальные или квантовые ямы. Толщины слоев, образующих потенциальные ямы, в рассматриваемых нами структурах, лежат в диапазоне 50—1100 нм. Для случая квантовых ям типичная толщина узкозонного слоя - порядка 10—20 нм. Отдельные участки активной области могут быть легированы индием для управления концентрацией электронов в КРТ я-типа проводимости. На активную область наносится пассивирующее покрытие, в качестве которого могут выступать слои анодно-окисной пленки, CdTe или Si02/Si3N4.

Исходя из поставленной цели, предметом исследования данной диссертационной работы определим спектры фотолюминесценции наногетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

Как было сказано ранее, проблема исследования фотолюминесценции гетерострук-тур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами в обозначенном нами контексте практически никем не разрабатывалась.

Методы исследования выбирались, исходя из обозначенных выше научных задач.

1. Описание зонной диаграммы и оптических характеристик легированных гете-роструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава по координате, включающих потенциальные и квантовые ямы, производится с помощью физико-математической модели, имеющей как феноменологические, так и квантово-механические предпосылки. В основу модели положено определение энергетических состояний носителей заряда в КЯ путём нахождения самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера. При этом, для увеличения точности расчёта в модели учтён ряд параметров материала КРТ и их зависимостей от состава х и температуры, которые ранее не были описаны в литературе.

Определение композиционных зависимостей ионизированных центров в КРТ производится феноменологически - исходя из экспериментальных данных. Зависимость электронного сродства от состава определяется на основании зависимости от состава уровня электронейтральности в КРТ, которая, в свою очередь, рассчитана из первых принципов авторами других работ.

2. Разработка программного обеспечения, реализующего созданную физико-математическую модель и позволяющего проводить моделирование зонных диаграмм, расчёт уровней размерного квантования, времён жизни носителей заряда для основных рекомбинационных процессов и спектров фотолюминесценции в легированных наногетероструктурах KPT МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, производится в среде программирования Delphi 6.

3. Моделирование спектров фотолюминесценции легированных наногетерострук-тур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также исследование влияния на спектры различных факторов (состав, толщины слоев, температура), производятся с использованием персональной ЭВМ.

4. Измерения спектров фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами проводились в диапазоне температур 84— 300 К при оптической накачке полупроводниковым лазером с длиной волны 0,808 мкм с плотностью мощности накачки 180—2100 Вт/см .

5. Верификация расчетных данных, полученных с применением разработанного программного обеспечения, производится путём сравнения результатов расчёта с экспериментальными данными. При этом доверительные интервалы оцениваются для каждого измерения на основании расчёта погрешности прямых измерений.

На настоящий момент в научной литературе нет сообщений о проведении подобных исследований для материала КРТ, и такая постановка задачи является полностью оригинальной.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В полупроводниковом твёрдом растворе Cd(Hg].xTe зависимость электронного сродства х от стехиометрического состава х в интервале (0,16—1,00) мол. дол. и температуры Т в интервале (4,2—300) К имеет вид:

Х(х, Т) - 5,59-1,29х + 0,54х2 - 0,56х3 + 7,13 • 10-4 Тх [эВ].

2. Физико-математическая модель, основанная на численном решении задачи о нахождении совместного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера, учитывающая зависимость электронного сродства от состава х и температуры Т, а также композиционные зависимости концентраций ионизированных донорных центров N*d в нелегированном и акцепторных центров N~ в вакансионно-легированном КРТ, для гетероэпитаксиальных структур на основе твёрдого раствора Cd.vHgi.xTe, включающих потенциальные (толщиной 50—1100 нм) или квантовые (толщиной 10—20 нм) ямы с составом х = 0,24—0,45 мол. дол. и барьерные слои с составом х = 0,50—0,80 мол. дол., легированные индием с концентрацией

1015—1017 см"3 даёт результаты расчёта положения пиков фотолюминесценции, не более чем на 30 мэВ (10 %) отличающиеся от наблюдаемых в эксперименте при температурах 77—300 К.

3. В гетероэпитаксиальной структуре на основе твёрдого раствора CdxHg|.vTe, включающей квантовую яму толщиной 12,5±1,0 нм и составом х = 0,240±0,001 мол. дол., окружённую барьерными слоями толщиной 31,5+1,0 нм (нижний барьер) с составом х = 0,790±0,001 мол. дол. и 27,0±1,0 нм (верхний барьер) с составом х = 0,800±0,001 мол.

15 3 дол., легированными индием с концентрацией 1—3-10 см" , выращенную методом моле-кулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs (013) с буферным слоями CdTe/ZnTe и покрытую слоем CdTe толщиной 40,0+1,0 нм, при оптической накачке лазером с длиной волны излучения X = 0,808 мкм и мощностью 1,65 Вт при температуре 84 К в интервале длин волн 2,3—6,5 мкм наблюдается до трёх полос фотолюминесценции, связанных с из-лучательными переходами в квантовой яме.

Достоверность основных результатов и выводов работы обеспечивается их непротиворечивостью и согласием с экспериментальными данными по фотолюминесценции структур с одиночными потенциальными и квантовыми ямами, а также с расчётными и эмпирическими данными, полученными авторами других работ, посвящённых исследованию оптических свойств гетероструктур КРТ, в том числе с квантовыми ямами.

Новизна результатов. Основные результаты диссертационной работы получены впервые. В частности:

- Определена композиционная и температурная зависимости электронного сродства твёрдого раствора CdxHgivTe. Как показано в работе, предложенная зависимость отличается от известных более точным соответствием экспериментальным данным. При этом авторами других работ учитывалась только композиционная зависимость электронного сродства в КРТ, а влияние на его значение температуры не принималось в расчёт.

- Предложена оригинальная модель расчёта зонной диаграммы и спектральных характеристик поглощения и фотолюминесценции легированных гетероструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава, включающих потенциальные и квантовые ямы, основанная на самосогласованном решении уравнений Пуассона и Шрёдингера. Преимуществом предложенной модели является учёт при расчётах и построении профилей энергетических зон зависимости электронного сродства КРТ

AT ЛЛЛТОПО "V TI та» <гттаг»птлтг Т О ТОТУМГО Т/ЛЧИГГТЛТТТТТИ/МТТТГ TV О О ПТТ Л TI* Í ЛЛТОТТ Т/*/"*ТТТТ£ЛТТгГ,Г"ЧОТТТХТХ ТТ/""ЧТТ vj a WW i. uou л п х wviiiw^ui j pDi, u iuiv/i\v ívuiviiivопцпииишл juunwniviuv J. wn хчинции хрицгш ных центров в нелегированном и акцепторных центров в вакансионно-легированном КРТ.

- Теоретически показано, что в структурах с одиночными квантовыми ямами на основе КРТ может наблюдаться одновременно несколько (до трёх) пиков фотолюминесценции в интервале длин волн 2,3—6,5 мкм при температуре 84 К, обусловленных межзонными оптическими переходами между уровнями размерного квантования в квантовой яме, что получило подтверждение в проведённом эксперименте, где впервые удалось наблюдать более одной полосы фотолюминесценции.

Научная ценность проведённых исследований. Результаты настоящего исследования вносят вклад в понимание электронных процессов в полупроводниковых структурах и, в частности, в структурах пониженной размерности. Предложенная в рамках выполнения диссертационной работы теоретическая модель расчёта оптических характеристик в сложных гетероструктурах на основе КРТ позволяет проводить дальнейшие их исследования.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что разработанные методики и полученные результаты могут быть использованы при дальнейших исследованиях, направленных на разработку эффективных оптоэлектронных приборов для среднего (3—5 мкм) и дальнего (8—12 мкм) ИК-диапазонов.

Результаты и материалы диссертационного исследования могут представлять интерес для специалистов в области оптических свойств полупроводников и полупроводниковых наноструктур, а также разработчиков оптоэлектронных приборов на их основе, и могут найти применение при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по аналогичной тематике.

Содержание работы. Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи, излагаются основные положения, выносимые на защиту. В первой главе приведён литературный обзор по теме работы. Рассмотрены вопросы, связанные с изготовлением наногетероструктур на основе КРТ. Проведён обзор работ по фотолюминесценции структур КРТ с КЯ. Вторая глава работы посвящена разработке физико-математической модели описания спектральных характеристик гетероструктур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. В третьей главе приводятся результаты теоретического исследования спектральных характеристик гетероструктур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. В четвёртой главе проводится описание результатов экспериментального исследования структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами, а также теоретический анализ исследуемых структур. В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты, полученные в ходе проведения исследований.

Личный вклад автора работы. При получении результатов данной работы автором внесен существенный вклад, состоящий в следующем: участие в определении методов и подходов к решению задач диссертации, а также интерпретации полученных результатов. Проведение теоретических исследований, разработка расчётных моделей, проведение расчётов и компьютерного моделирования, обработка и анализ полученных результатов выполнялись преимущественно соискателем. Автором работы совместно с научным руководителем осуществлялась постановка цели, задач исследований и методов их решения. Экспериментальные исследования фотолюминесценции структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами проводились в НПП «Карат» (г. Львов, Украина) при непосредственном участии автора работы.

Связь с плановыми работами. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении ряда НИР, в частности (НИР «Исследование и разработка методов контроля электрофизических свойств приповерхностных слоев ГЭС КРТ МЛЭ методами CV-метрии», являющейся составной частью НИР «Разработка промышленной технологии выращивания гетероэпитаксиальных структур теллурида кадмия-ртути дырочного типа проводимости на оптически прозрачных подложках методом молекулярно-лучевой эпи-таксии», шифр «Прозрачность», выполняемой на основании государственного контракта с Минпромторгом России в рамках Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года».); НИР «Исследование зонной диаграммы наноструктур и свойств границы раздела защитный диэлектрик-гетероэпитаксиальный полупроводник КРТ», проводимой на основании государственного контракта от 17 августа 2007 г. №02.523.12.3006 «Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструктур для источников и приемников излучения систем оптического мониторинга», выполняемой в рамках ФЦП «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.»; НИР «Физические принципы создания фоточувствительных и светоизлучающих наногетероструктур КРТ МЛЭ» в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 г. (per. номер 2.1.2/6551), а также НИР «Физические основы технологии полупроводниковых наногетероструктур КРТ МЛЭ для создания приборов ИК микрофотоэлектроники» (per. номер 2.1.2/12459), являющейся продолжением предыдущего проекта; НИР «Исследование полупроводниковых наногетероструктур КРТ МЛЭ для создания приборов ИК микрофотоэлектроники» в рамках Ведомственной программы МинОбрНауки (гос. per. № 01200903846).

Также результаты работы были использованы при выполнении ряда НИР в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг.: НИР «Разработка технологии получения нового полупроводникового материала с промежуточной зоной и фотопреобразователей солнечной энергии на основе наногетероструктур Si-Ge с широкой спектральной характеристикой» (госконтракт П234), НИР «Физические основы технологии создания фотопреобразователей солнечной энергии на основе наногетероструктур А4В4 и А2В6 » (госконтракт П1662), НИР «Оптические системы на основе лазеров с дискретной и плавно перестраиваемой частотой излучения, оптических преобразователей и сверхскоростных полупроводниковых фотодетекторов, и их технологические применения» (госконтракт № 02.740.11.0444), а также НИР «Разработка и иссле-лпняние хяпяктепистик гЬоТОЧУТЧСТПИТеЛКНЫХ элементов на основе CTDVKTVD CdvHöl./Ге с

I 1 I* '1 1 ^ IV л л наноразмерными слоями и структур Si i -AGex с квантовыми точками» (госконтракт П281), в которой автор работы являлся руководителем.

Апробация работы. Основные результаты работы были обсуждены на следующих семинарах и конференциях: на научных семинарах кафедры квантовой электроники и фотоники ТГУ; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008, 2010, 2012 гг.); Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-15» (Кемерово, 2009 г.); международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); международной конференции E-MRS Fall Meeting (Варшава, 2009 г.); Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2009 г.); II Международной школе-конференции молодых учёных «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2009 г.); Всероссийской молодежной научно-технической Интернет-конференции «Новые материалы, наносистемы и нанотехнологии» (2010 г.); Российско-немецком нанофоруме «Nanophotonics und Nanomaterials» (Томск, 2010 г.); Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» и конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.); II Международной научной конференции «Нано-структурные материалы - 2010: Беларусь-Россия-Украина» (Киев, 2010 г.); молодёжной школе-конференции с международным участием «Лазеры и лазерные технологии» (Томск, 2010 г.); XIV Национальной конференции по росту кристаллов и IV Международной конференции «Кристаллофизика XXI века» (Москва, 2010 г.); 5-м Форуме «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy: Symposium and summer school (tutorial lectures)» (Москва-Зеленоград, 2011 г.); Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника-2011» (Новосибирск, 2011 г.); 5 Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-5) (Ужгород, Украина, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования отражены в 29 публикациях, 12 из которых в статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и в зарубежных научных журналах и 17 в сборниках статей и трудов конференций.

3.3 Выводы по главе 3

В данной главе были проведены теоретические исследования спектральных характеристик структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. Были проведены расчёты спектров поглощения и фотолюминесценции в структурах с ПЯ и КЯ, проведён анализ влияния различных параметров структуры и условий наблюдения (состав и ширина ямы и барьеров, температура) на вид спектров.

Показано, что применение КРТ, как объёмного, так и структур с квантово-размерным эффектами, позволяет перекрыть почти всю практически значимую часть ИК-спектра - от 0,89 до 20 мкм.

Рассмотрены процессы Оже-рекомбинации в структурах с ПЯ. Продемонстрировано, что параметры структуры и условия работы излучающей структуры, такие как температура, оказывают существенное влияние на скорость Оже-рекомбинации и в то же время оказывают сравнительно слабое влияние на излучательное время жизни вплоть до собственных температур. В связи с этим целесообразно проводить моделирование в первую очередь безызлучательных процессов рекомбинации в объёмном КРТ и оптимизировать структуры и условия эксплуатации с точки зрения увеличения времени жизни при Оже-рекомбинации.

На основании представленных в данной главе работы анализа спектральных характеристик структур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также сравнения результатов расчёта спектров люминесценции и поглощения с экспериментальными и теоретическими данными, взятыми из литературных источников, можно сделать вывод о том, что предложенная в данной научной работе методика расчёта спектральных характеристик объёмного КРТ даёт результаты, адекватно описывающие известные на настоящий момент экспериментальные данные. Также разработанная модель вполне согласуется с результатами теоретических расчётов, выполненных авторами других работ. Следует отметить также, что в некоторых случаях предложенная в данной работе методика даёт результаты, с большой степенью точности (до 5 %) соответствующие экспериментальным данным, описанным в литературе. В общем, для рассмотренных в данной главе структур с КЯ на основе КРТ разработанная методика даёт результаты расчёта положения спектральных линий, отличающиеся от экспериментальных данных не более чем на 40 мэВ.

Некоторое несоответствие расчётных и экспериментальных данных может быть объяснено сдвигом экспериментального спектра излучения или поглощения в коротковолновую область по сравнению с теоретическим, связанным с эффектом заполнения разрешённых энергетических состояний вблизи краёв энергетических зон - эффектом Бур-штейна-Мосса.

С другой стороны, сдвиг линии излучения в коротковолновую область спектра при наблюдении фотолюминесценции также может быть обусловлен разогревом образца излучением накачки. При увеличении температуры в КРТ увеличивается значение ширины запрещённой зоны. Также определённый вклад в экспериментальные спектры вносят проявляющиеся примесные центры, являющиеся при определённых условиях активными центрами рекомбинации.

Показано, что доминирующими типами излучательной рекомбинации в структурах КРТ с КЯ являются межзонные оптические переходы с, —» h\ и с, —> /г/,. При этом определяющим фактором, выделяющим тот или иной тип перехода, является отношение скоростей излучательной и Оже-рекомбинации в КЯ, которое для рассмотренных структур и условий наблюдения имеет наибольшие значения, как правило, для перехода с, —> Ых. ямы в процессе роста структуры. Состав, определенный по энергии максимума в спектре фотолюминесценции составляет х = 0,329 мол. дол.

Е, еВ

Рисунок 4.13 - Спектры фотолюминесценции структуры с х = 0,35 мол. дол. при температуре 84 К и различной мощности возбуждения

Изменение состава пленки КРТ 080115 с толщиной

0,8 о о О

0,4

0,3

0,2-----

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Толщина, мкм

Рисунок 4.14 - Профиль состава двойной гетероструктуры с толщиной 0,4 мкм и составом узкозонного слоя х = 0,34 мол. дол. по данным in situ эллипсометрических измерений.

В спектре фотолюминесценции при комнатной температуре наблюдается несколько полос (рисунок 4.12). Максимум длинноволновой полосы фотолюминесценции (0,346 эВ) смещен относительно номинальной ширины запрещенной зоны ямы на 18 мэВ, поэтому можно предположить, что он связан с переходом зона проводимости-акцептор, и этот переход доминирует над межзонным переходом. С другой стороны, ширина запре

На рисунках 4.17 и 4.18 приведены результаты измерений спектров фотолюминесценции рассматриваемой структуры, полученные при различных условиях возбуждения (измерение № 1 - мощность накачки ~ 1,2 Вт, измерение № 2 - мощность накачки ~ 1,65 Вт) из различных образцов одной пластины КРТ.

Зонная диаграмма исследуемой структуры при Г = 84 К изображена на рисунке 4.19. Барьер для электронов в данной структуре имеет величину Ve =0,641 эВ, барьер для дырок Vh =0,331 эВ, ширина запрещённой зоны в яме Е =0,159 эВ.

Cd08Hg02Te Cd024Hg0 76Te Cd08Hg02Te

0,45 0,50 0,55

Координата, мкм

Рисунок 4.19. - Зонная диаграмма структуры КРТ с одиночной квантовой ямой.

Для расчёта параметров зонной диаграммы в данной структуре было проведено уточнение используемой теоретической модели. Был проведен учёт непараболичности энергетических зон электронов, лёгких и тяжёлых дырок через эффективные массы носителей заряда. Также было проведено уточнение выражений для эффективных масс на дне энергетических зон.

При этом для эффективной массы электронов использовалось выражение [147]: тп т.

0) К

П2Е,.

Е8+А°

4.3) где тс (О) - эффективная масса электрона на дне зоны проводимости, Р - матричный элемент оператора импульса, Д0 - энергия спин-орбитального расщепления валентной зоны, ^ = -0,8. Учёт непераболичности производился с использованием выражения [147,146]: тс(Е) = тс{ 0)

1 + 2ЛЧ v EgJ

4.4)

В [197] приведён обзор экспериментальных исследований, посвящённых определению величин эффективной массы лёгких дырок в КРТ. На основании проведённого обзора можно сделать вывод о том, что значения эффективных масс лёгких дырок в КРТ, а также их композиционная и температурная зависимости хорошо описываются аналогичными выражениями для электронов проводимости.

Аналогичное выражение для случая непараболичности имеет место и в случае тяжёлых дырок [198]: ты,(Е) = тнн(0) ЕЛ 1 + 2—

V Е<> У

4.5) где Е0 = 0,096, а эффективная масса на дне зоны тяжёлых дырок предполагалась равной 0,391 т0.

На основании приведённых данных также были рассчитаны скорости излучатель-ной и оже-рекомбинации для основных типов переходов. Результаты расчётов для четырёх типов межзонных переходов в исследуемой квантовой яме приведены в таблице 4.1.

Энергии уровней размерного квантования в рассматриваемой структуре имеют следующие значения: ЕсХ =0,050 эВ, £с2 =0,152 эВ, £¿„=0,042 эВ, Ет= 0,200 эВ,

Еш =0,005 эВ, ЕШ1 =0,016 эВ.