Исследование спектров излучения импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона и их применение для спектроскопии гетероструктур на основе HgTe/CdTe с квантовыми ямами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Ластовкин Артём Анатольевич

Исследование спектров излучения импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона и их применение для спектроскопии гетероструктур на основе Н§Те/Сс1Те с квантовыми

ямами

01.04.03 - Радиофизика 05.27.01 — Твёрдотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических

наук

10 АПР 2014

Нижний Новгород - 2014 005546978

005546978

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высш профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физики микроструктур Российс академии наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Гавриленко Владимир Изяславович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук.

Каган Мирон Соломонович;

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Инсл радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, зав. электронных процессов в полупроводниковых приборах

кандидат физико-математических наук, Митягин Юрий Алексеевич;

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физичес институт им. П.Н.Лебедева РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учрежде

высшего профессионального образования «Санкт-Петербурге государственный политехнический университет»

Защита состоится «23» апреля 2014 г. в 16:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.07 федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образова «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» по адресу: 603950, Нижний Новгород, Гагарина, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательн учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Лобачевского» и на его официальном сайте (http://www.diss.urni.nl).

Автореферат разослан «с21» /У/^/°7^2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, "' ' В. В. Черепенников

доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

С развитием технологий квантовой инженерии стало возможным создание квантовых каскадных лазеров (KKJI) в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. При этом такие свойства лазеров, как когерентность излучения, компактность, возможность проектирование лазера заданной частоты, возможность перестройки частоты лазера температурой, током, внешними резонаторами и др., или, наоборот, возможность стабилизации частоты лазера, а также токовая накачка лазеров, определили востребованность таких источников в различных приложениях, в частности терагерцовой спектроскопии. При этом для терагерцовой спектроскопии остаются актуальными задачи управления частотой излучения KKJI за счёт изменения их рабочих температур. Исследования процессов разогрева лазерной структуры позволяют контролировать перестройку частоты лазеров, что может быть использовано в приборах селективного обнаружения примесей разнообразных веществ. Также значительный исследовательский интерес представляет применение KKJI в ТГц спектроскопии узкозонных полупроводниковых наноструктур, например, гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) CdHgTe (KPT структуры), на основе которых могут быть созданы новые источники и приёмники излучения терагерцового диапазона. В таких структурах даже небольшое варьирование составов ям, барьерных слоев и толщин КЯ приводит к значительным изменениям зонной структуры. Мощным инструментом исследования зонной структуры полупроводников является метод циклотронного резонанса (ЦР) двумерных (2D) носителей заряда, позволяющий провести исследования, востребованные при создании на основе КРТ структур лазеров и приемников терагерцового диапазона.

Степень разработанности темы исследования

Рабочая температура оказывает существенное влияние на спектр излучения KKJI ТГц диапазона. Однако в опубликованных до настоящего времени работах (см., например [1,2,3]) перестройка частоты ТГц KKJI при изменении рабочей температуры исследовалась только в узком интервале значений последней. Всего

3

при нескольких значениях температуры были получены спектры излучения ККЛ в работах [4] и [5]. Исследования перестройки частоты ТГц ККЛ в течение импульс, генерации ограничены лишь одной работой [3], где методом гетеродинирования исследована перестройка частоты излучения импульсного ККЛ в течение импульса относительно частоты излучения другого непрерывного ТГц ККЛ (гетеродина).

В настоящее время наблюдается возрождение интереса к узкозонным гетероструктурам с квантовыми ямами на основе ЩТе/СсГГе, которые обладаю' целым рядом уникальных свойств. Большая часть исследований таких структур посвящена изучению электронного транспорта (см., например, [6,7,8]). Эффективным методом изучения энергетического спектра узкозонных материалов является исследование циклотронного резонанса и межзонного магнитопоглощения в квантующих магнитных полях. В гетероструктурах Ь^Те/Сс^Те такие исследования были начаты в работах [9], [10], [11], [12] и до начала настоящей диссертационной работы были выполнены лишь на нескольких образцах с инвертированным зонным спектром.

Цели и задачи

1. Целями диссертационной работы являлись исследование спектральных характеристик импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона, развитие методики использования квантовых каскадных лазеров для терагерцовой спектроскопии полупроводниковых наноструктур и выявление особенностей зонного спектра узкозонных гетероструктур на основе Н§Те/Сс1Те с квантовыми ямами, что включало в себя решение следующих задач:

2. Детальное изучение спектральных характеристик ККЛ терагерцового диапазона с дизайном активной области «резонансное испускание оптического фонона», размещённых в двойном металлическом полосковом волноводе, определение модового состава генерации и его изменения с температурой, рабочим током, временем в течение импульса генерации.

3. Определение методом фурье-спектроскопии высокого разрешения диапазона перестройки частоты моды генерации при изменении температуры, в том числе за счет разогрева в течение импульса генерации.

4. Развитие методики использования импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона для магнитооптических исследований полупроводниковых наноструктур.

5. Исследование ЦР 20 электронов в гетероструктурах на основе Н§Те/Сс1Те в классических магнитных полях и определение зависимости циклотронной массы от концентрации электронов и ширины ямы.

6. Исследование ЦР и межзонных оптических переходов в гетероструктурах на основе Ь^Те/СсГГе в квантующих магнитных полях.

Научная новизна

1. Впервые продемонстрирована «перекачка» интенсивности излучения ТГц ККЛ в более высокочастотные моды с увеличением температуры, в том числе при разогреве активной области лазера в течение импульса генерации.

2. В широком температурном диапазоне (8-86 К) измерена перестройка частоты моды генерации ТГц ККЛ.

3. В гетероструктурах Н§Те/Сс1Н§Те с инвертированной зонной структурой экспериментально продемонстрировано возрастание циклотронной массы электронов при увеличении ширины КЯ.

4. В квантовых ямах Н§Те/Сс1Н§Те обнаружено сильное расщепление линии ЦР электронов (Дшс/шс = 0.12), связанное со спиновым расщеплением Рашбы.

5. В гетероструктурах на основе НцТе/СёТе с квантовыми ямами с нормальной зонной структурой впервые измерены спектры ЦР электронов в квантующих магнитных полях и обнаружены переходы с трех нижних уровней Ландау.

6. Показано, что в образцах Н§Те/Сс1Н§Те и-типа с инвертированной зонной структурой ЦР дырок может наблюдаться и в отсутствие перекрытия зон.

Практическая и теоретическая значимость работы

Продемонстрированный в работе эффект перестройки частоты моды генерации ТГц ККЛ в течение импульса может быть использован для создания на основе этих приборов газовых детекторов реального времени. Результаты исследований спектральных характеристик импульсных ТГц ККЛ были использованы в работе при создании спектрометра ТГц диапазона для исследования ЦР двумерных носителей заряда в квантовых ямах Н§Сс1Те. Этот спектрометр уже используется для магнитооптических исследований других узкозонных систем (см., например, [13]). Теоретическая значимость работы заключается в получении нового знания об энергетическом спектре гетероструктурах с КЯ на основе Н§Те/Сс1Те. Полученные в диссертации результаты исследований этих структур могут быть использованы при создании новых оптоэлектронных приборов терагерцового диапазона.

Методология и методы исследования

Исследование спектральных характеристик импульсных ККЛ (модовый состав излучения) проводилось методом фурье-спектроскопии с использованием прибора, работающего в режиме пошагового сканирования. Для регистрации импульсных сигналов использовался метод стробоскопического преобразования с последующим накоплением для улучшения отношения сигнал/шум. Перестройка частоты моды генерации ККЛ исследовалась с использованием фурье-спектрометра быстрого сканирования высокого (до 0.007 см'1) разрешения. Узкозонные гетероструктуры с КЯ на основе ^Те/СсГГе исследовались транспортными методами (эффект Холла и осцилляции Шубникова - де Гааза) и методами абсорбционной спектроскопии. Спектры ЦР исследовались как с использованием монохроматических источников излучения (ККЛ, лампы обратной волны) с разверткой магнитного поля до 5.5 Тл, так с использованием фурье-спектрометра в постоянных магнитных полях. В импульсных магнитных полях до 45 Тл спектры магнитопоглощения (ЦР электронов и дырок, межзонные переходы) исследовались с использованием ККЛ среднего ИК диапазона (длина волны излучения 11,4 и 14,8 мкм).

Основные положения, выносимые на защиту

1. В спектрах излучения импульсного квантового каскадного лазера терагерцового диапазона наблюдается «перекачка» интенсивности излучения в более высокочастотные моды с увеличением температуры, а также в течение импульса излучения, что связано с разогревом активной области лазера.

2. Повышение рабочей температуры (от 8 до 86 К) квантового каскадного лазера терагерцового диапазона приводит к изменению частоты генерации, достигающей 5 ГГц.

3. В квантовых ямах Н§Те/Сс1^Те с инвертированной зонной структурой эффективная масса в зоне проводимости возрастает с увеличением ширины квантовой ямы в отличие от ям с нормальной зонной структурой.

4. В ассиметричных (с односторонним селективным легированием барьеров) квантовых ямах 1^Те/Сс1Н£Те с инвертированной зонной структурой наблюдается сильное расщепление линии циклотронного резонанса электронов, связанное со спиновым расщеплением Рашбы (Дгг^/гПс = 0.12 при = 30 мэВ).

5. Пересечение нижнего уровня Ландау электронов и верхнего уровня Ландау дырок в квантовых ямах 1-^Те/Сс11^Те с инвертированной зонной структурой позволяет одновременно наблюдать линии циклотронного резонанса электронов и дырок.

Степень достоверности и апробация результатов исследования

Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается применением апробированных в ИФМ РАН и в других исследовательских центрах методик. Результаты экспериментальных исследований приводятся в сопоставлении с теоретическими расчетами, а также с другими данными, представленными в литературе. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на ХШ-ХУН Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород 2009-2013 гг.); IX, X Российских

конференциях по физике полупроводников (Новосибирск-Томск 2009, Нижний Новгород 2011); Международном форуме по нанотехнологиям «Rusnanotech' 10» (Москва 2010); 4 Всероссийской конференции молодых ученых «Микро- и нанотехнологии и их применение» (Черноголовка 2010); VII, VIII Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород 2009, 2011); XIV научной конференции по радиофизике, посвященной 80-й годовщине со дня рождения Ю.Н. Бабанова (Нижний Новгород 2010); Международной конференции XIV Харитоновские тематические научные чтения «Мощная импульсная электрофизика» (Саров 2012); Международной конференции «Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications» (Москва 2012); Международной конференции «International Conference on Superlattices, Nanostructures, and Nanodevices» (Дрезден 2012); Форуме молодых учёных (Нижний Новгород 2013); а также на семинарах Института физики микроструктур РАН. Результаты по теме диссертации опубликованы в 28 печатных работах, в том числе в 8 статьях в реферируемых научных журналах и в сборниках тезисов докладов и трудов конференций и симпозиумов (20 публикаций). Все вышеперечисленное в совокупности свидетельствует о достоверности полученных результатов и сделанных на их основании выводов.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 представляет собой обзор научной литературы по ККЛ.

Раздел 1.1 посвящен ККЛ среднего инфракрасного диапазона. Выполнен обзор описанных в литературе дизайнов активной области лазеров. Рассмотрены способы перестройки частоты лазеров за счёт изменения температуры, рабочего напряжения, внешнего резонатора и др. Описаны технологии конструирования лазеров, излучающих в одномодовом режиме. Представлены различные методы стабилизации частоты лазеров.

В разделе 1.2 проводится обзор ККЛ ТГц диапазона. Продемонстрирована реализация методов управления частотой излучения, отработанных для лазеров среднего инфракрасного диапазона, а также других, характерных ТГц диапазону методов. Выполнен обзор используемых в ТГц диапазоне волноводов для ККЛ, отмечены их достоинства и недостатки. Рассмотрены технические особенности работы с ККЛ.

Раздел 1.3 посвящен технологиям, позволившим улучшить мощность излучения и рабочую температуру ТГц ККЛ. Приведены результаты последних достижений в этой области.

Глава 2 посвящена детальному изучению особенностей излучения одного из типов ККЛ ТГц диапазона при различных температурах, в том числе изучению различных механизмов перестройки частоты излучения ККЛ.

В разделе 2.1 приводится описание исследуемых ТГц ККЛ. Подробно описывается технология изготовления лазерных структур, дизайн активной области, приводится расчет спектра усиления и энергетическая диаграмма зоны проводимости, описывается механизм создания инверсии населённостей на рабочем переходе.

В разделе 2.2 подробно описываются методики измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ), токовых зависимостей интенсивности излучения, временных характеристик интегрального излучения, а также спектров излучения ККЛ.

В разделе 2.3 представлены экспериментальные результаты и проведено их обсуждение. Приводятся результаты измерений ВАХ при различной температуре. Наблюдаемые на зависимостях особенности объяснены соответствующим выстраиванием энергетических уровней в КЯ лазерной структуры при изменении рабочего напряжения. Показано, что при низких температурах при пороговом токе на ВАХ наблюдается характерный излом. Далее приведены результаты исследований зависимостей интенсивности излучения ККЛ от тока при различных температурах. В сопоставлении с результатами исследований ВАХ проведена характеризация лазеров, определены рабочие параметры. В этом же разделе представлены результаты измерения осциллограмм импульсов излучения. Прослежена эволюция формы импульса излучения с ростом температуры. Обнаружены особенности, указывающие на изменение модового состава излучения ККЛ при разогреве лазерной структуры в течение импульса. Наконец, в разделе представлены результаты исследований спектров излучения. При увеличении температуры при постоянном рабочем напряжении лазера продемонстрирован эффект «перекачки» интенсивности излучения из низкочастотной в более высокочастотную моду. Подобный эффект обнаружен при исследовании спектров в различные моменты импульса излучения, и связывается с разогревом активной области в течение импульса излучения.

В Главе 3 представлены результаты исследований спектров излучения ККЛ диапазонов 2,6 и 3,2 ТГц с высоким (до 0,007 см"1) спектральным разрешением.

В разделе 3.1 приведено подробное описание методики измерений.

В разделе 3.2 представлены результаты исследования сдвига частоты генерации ККЛ (2,6 - 3,2 ТГц) от температуры. Продемонстрирована рекордная перестройка частоты излучения на 5,3 ГГц в низкочастотную область при изменении температуры от 8 до 86 К, обусловленная главным образом изменением показателя преломления активной области. В этом же разделе приводится

результаты исследований зависимости ширины спектральной линии от длительности импульсов излучения и зависимости частоты излучения от рабочего напряжения при постоянной температуре, обосновывается возможность использования исследуемых лазеров, как генераторов терагерцового диапазона с управляемой напряжением частотой в системах с фазовой автоподстройкой частоты. В разделе представлены результаты исследований перестройки частоты лазеров в течение импульса генерации. Продемонстрирована монотонная перестройка частоты излучения в низкочастотную область на 420 МГц за 20 мкс, а также на 788 МГц за 195 мкс для другого лазера. Проведён анализ процессов, связанных с разогревом активной области в течение импульса. Отмечена возможность использования свипирования частоты лазера для спектроскопии газов. Наконец в разделе приведены результаты исследований перестройки частоты на начальном участке импульса генерации. Показано, что за время нарастания (первые 4 мкс импульса) интенсивности излучения исследуемого лазера, имеет место значительная (около 110 МГц) перестройка частоты в высокочастотную область, что связывается нами с изменением электронной части диэлектрической проницаемости при нарастании мощности излучения. Проведено сопоставление полученных в работе результатов с представленными в научной литературе данными.

Глава 4 посвящена терагерцовой спектроскопии полупроводниковых узкозонных гетероструктур на основе соединения КРТ с использованием ТГц KKJI.

В разделе 4.1 проводится обзор работ, посвященных исследованию твёрдых растворов КРТ и гетероструктур КРТ с КЯ. Формулируется актуальность исследований гетероструктур КРТ с КЯ.

В разделе 4.2 подробно описана методика исследования ЦР двумерных носителей заряда в полупроводниковых гетероструктур с использованием ТГц KKJI. Проведён сравнительный анализ с представленными в литературе методиками исследования терагерцовой спектроскопии полупроводниковых структур.

В разделах 4.3 - 4.5 приведено описание других применяемых методик исследования: методика исследования ЦР двумерных носителей заряда в полупроводниковых структур с использованием фурье-спектрометра, методика

исследования эффекта Холла и осцилляций Шубникова - де Гааза, метод расчёта зонной структуры КЯ и уровней Ландау.

Раздел 4.6 посвящен описанию характеристик исследуемых образцов.

В разделе 4.7 приводятся результаты исследований ЦР в гетероструктурах КРТ с различной шириной КЯ с инвертированной зонной структурой в классических магнитных полях при различных значениях концентрации 2D электронов, изменяемой за счёт эффекта остаточной фотопроводимости. Приведены зависимости эффективной циклотронной массы от концентрации носителей. Продемонстрировано возрастание циклотронной массы электронов при увеличении ширины квантовой ямы при одинаковой концентрации носителей. Отмечается систематическое превышение расчётных значений циклотронных масс, полученных с применением квазиклассического расчёта, над экспериментальными данными.

В разделе 4.8 приводятся результаты исследования спинового расщепления энергетических уровней в гетероструктуре КРТ с ассиметричным легированием слоев с инвертированной зонной структурой. Представлены результаты гармонического анализа осцилляций Шубникова —де Гааза, определена величина спинового расщепления Рашбы - Да = 30 мэВ. Продемонстрировано сильное расщепление линии циклотронного резонанса (Дш/гПс = 0.12), обусловленное гигантским спиновым расщеплением Рашбы. Показано, что наблюдаемое расщепление линии ЦР обусловлено главным образом непараболичностью закона дисперсии и различием kF для двух подзон. Проведён сравнительный анализ с представленными в литературе данными.

В разделе 4.9 представлены результаты магнитооптических исследований гетероструктур КРТ с КЯ в сильных (квантующих) магнитных полях. Были рассмотрены образцы как с нормальной, так и с инвертированной зонной структурой. В образцах с нормальной зонной структурой прослежена эволюция спектров циклотронного резонанса электронов при изменении фактора заполнения уровней Ландау, гашение и возгорание трёх линий циклотронного резонанса, обусловленных переходами с различных уровней Ландау. В этом же разделе приведены результаты исследований в квантующих импульсных магнитных полях

(до 45 Тл) в КЯ с инвертированной зонной структурой. Продемонстрирована помимо наблюдавшихся раннее линий циклотронного резонанса электронов и межзонного перехода линия циклотронного резонанса дырок, наблюдение которой стало возможным вследствие пересечения нижнего уровня Ландау зоны проводимости и верхнего уровня Ландау валентной зоны. Выполнено сопоставление экспериментально полученных данных с расчётами. Показано, что энергии наблюдаемых циклотронных переходов в гетероструктурах КРТ с КЯ в квантующих магнитных полях систематически превышают (на 3-14 %) рассчитанные значения с использованием общепринятых (к моменту начала работы) для данной гетеросистемы материальных параметров.

В заключении сформулированы основные результаты.

Заключение

Основные результаты работы:

Исследованы токовые и излучательные характеристики импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона на основе многослойных гетероструктур GaAs/Alo.isGao.ssAs с дизайном «резонансное испускание оптического фонона», размещённых в двойном металлическом полосковом волноводе. Генерация наблюдалась на одной или нескольких модах резонатора вплоть до температур- 85 К. Обнаружена «перекачка» интенсивности излучения в более высокочастотные моды (на 2-4 см'1) с увеличением температуры, а также в течение импульса излучения. Во всех случаях эффект связан с падением величины усиления при разогреве рабочей области и ростом поглощения на свободных носителях, что приводит к высокочастотному сдвигу максимума усиления.

Методом фурье-спектроскопии высокого разрешения (0,007 - 0,010 см"1) исследован сдвиг частоты генерации квантовых каскадных лазеров (2,6 - 3,2 ТГц) от температуры и в течение импульса излучения, обусловленный изменением эффективного показателя преломления структуры с температурой. Получена рекордная перестройка частоты излучения на 5,3 ГТц при изменении температуры от 8 до 86 К. Продемонстрирована перестройка частоты излучения на 420 МГц за 20

13

мкс в течение импульса генерации, что открывает возможность использования свипирования частоты лазера для спектроскопии газов.

С использованием квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона исследованы спектры циклотронного резонанса в классических магнитных полях гетероструктур ^Те/Сс1Н§Те с различной шириной квантовых ям с инвертированной зонной структурой при различных значениях концентрации двумерных электронов, изменяемой за счёт эффекта остаточной фотопроводимости. Определены зависимости эффективной циклотронной массы от концентрации носителей. Впервые продемонстрировано возрастание циклотронной массы электронов при увеличении ширины квантовой ямы при одинаковой концентрации носителей (в противоположность квантовым ямам с нормальной зонной структурой).

Исследованы спектры циклотронного резонанса электронов в классических магнитных полях в квантовых ямах Н§Те/Сс11^Те с инвертированной зонной структурой с односторонним селективным легированием барьерного слоя (п5 = 2-10й см"2). Обнаружено сильное расщепление линии циклотронного резонанса (Дт^т,; = 0.12), обусловленное гигантским спиновым расщеплением Рашбы Дя ~ 30 мэВ вследствие р-подобных волновых функций состояний в зоне проводимости.

Исследованы спектры магнитооптического поглощения (циклотронный резонанс и межзонные переходы) в квантующих магнитных полях в гетероструктурах на основе 1^Те/Сс1^Те с квантовыми ямами как с нормальной, так и с инвертированной зонной структурой. Измерения проводились с использованием квантовых каскадных лазеров терагерцового и среднего инфракрасного диапазона как в стационарных, так и в импульсных магнитных полях. В образцах с нормальной зонной структурой прослежена эволюция спектров циклотронного резонанса электронов при изменении (за счёт эффекта остаточной фотопроводимости) фактора заполнения уровней Ландау: гашение и возгорание трёх линий циклотронного резонанса, обусловленных переходами с различных уровней Ландау. В импульсных магнитных полях в образце с инвертированной зонной структурой помимо наблюдавшихся раннее линий циклотронного резонанса

электронов и межзонного перехода обнаружена линия циклотронного резонанса дырок, наблюдение которой стало возможным вследствие пересечения нижнего уровня Ландау зоны проводимости и верхнего уровня Ландау валентной зоны.

Показано, что энергии наблюдаемых циклотронных переходов в гетероструктурах на основе HgTe/CdHgTe с квантовыми ямами как в классических, так и в квантующих магнитных полях систематически превышают (на 3-14 %) рассчитанные значения с использованием общепринятых (к моменту написания работы) для данной гетеросистемы материальных параметров.

Список цитируемой литературы

1. Betz A.L., Boreiko R.T., Williams B.S., Kumar S., Hu Q., and Reno J.L.

Frequency and phase-lock control of a 3 THz quantum cascade laser // Optics Letters. 2005. No. 30. P. 1837.

2. Rabanus D., Graf U.U., Philipp M., Ricken O., Stutzki J., Vowinkel В., Wiedner M.C., Walthe C., Fischer M., and Faist J. Phase locking of a 1.5 terahertz quantum cascade laser and use as a local oscillator in heterodyne HEB receiver // Optics Express. 2009. Vol. 3. No. 17. pp. 1159-1168.

3. Hensley J.M., Montoya J., Xu J., Mahler L., Tredicucci A., Beere H.E., and Ritchie D.A. Spectral behavior of a terahertz quantum-cascade laser // Optics express. October 2009. Vol. 22. No. 17. P. 20476.

4. Kumar S., Hu Q., and Reno J.L. 186 К operation of terahertz quantum-cascade lasers based on a diagonal design // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 13. No. 94. pp. 131105-131105-3.

5. Fathololoumi S., Dupont E., Chan C.W.I., Wasilewski Z.R., Laframboise S.R., Ban D., Matyas A., Jirauschek C., Hu Q., and Liu H.C. Terahertz quantum cadcade lasers operating up to -200 К whith optimized oscillator strength and improved injection tunneling // Optics express. February 2012. Vol. 4. No. 20. P. 3866.

6. Konig M., Wiedmann S., and Brune C. Quantum Spin Hall Insulator State in

HgTe Quantum Wells // Science. 2007. Vol. 5851. No. 318. pp. 766-770.

7. Zhang H.C., Preuffer-Jeschke A., and Ortner К. Rashba splitting in n-type modulation-doped HgTe quantum wells with an inverted band structure II Phys. Rev. B. 2001. Vol. 24. No. 63. P. 245305.

8. Gui Y.S., Becker C.K., and Dai N. Giant spin-orbit splitting in a HgTe quantum well//Phys. Rev. B. 2004. Vol. 11. No. 70. pp. 115328-115333.

9. Meyer J.R., Wagner R.J., Bartoli F.J., Hoffinan C.A., Dobrowolska M., Wojtowicz Т., Furdyna J.K., and Ram-Mohan L.R. Magneto-optical properties of HgTe-CdTe superlattices // Phys. Rev. B. 1990. Vol. 42. No. 14. pp. 90509062.

10. Schultz M., Merkt U., and Sonntag A. Crossing of conduction- and valence-subband Landau levels in an inverted HgTe/CdTe quantum well // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 23. No. 57. pp. 14772-14775.

11. Schultz M., Heinrichs F., Merkt U., Colin Т., Skauli Т., and Lovold S. Rashba spin splitting in a gated HgTe quantum well // Semicond. Sei. Technol. 1996. No. 11. pp. 1168-1172.

12. Квон З.Д., Ольшанецкий Е.Б., Михайлов H.H., Козлов Д.А. Двумерные электронные системы в квантовых ямах на основе HgTe // ФНТ. 2009. Т. 35. № 1.С. 10-20.

13. Иконников A.B., Жолудев М.С., Гавриленко В.И., Михайлов H.H., Дворецкий С.А. Магнитопоглощение в узкозонных эпитаксиальных слоях HgCdTe в терагерцовом диапазоне // ФТП. 2013. Т. 47. № 12. С. 1569-1574.

Список основных публикаций автора

1. Спектры излучения квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона / А. В. Антонов, В. И. Гавриленко, А. В. Иконников, К. В. Маремьянин, А. А. Ластовкин, С. В. Морозов, Д. В. Ушаков, Ю. Г. Садофьев, Н. Самал // Известия вузов. Радиофизика. — 2009. — Т. LII, №7. — Р. 550—556.

2. Спиновое расщепление в гетероструктурах HgTe/CdHgTe (013) с квантовыми ямами / К. Е. Спирин, А. В. Иконников, А. А. Ластовкин, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, H. Н. Михайлов // Письма в ЖЭТФ. — 2010,—Vol. 92.N. 1—2, —Р. 65—68.

3. Исследование спектров излучения импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона с высоким спектральным разрешением / А.В. Иконников, А.В. Антонов, А.А. Ластовкин, В.И. Гавриленко,Ю.Г. Садофьев, N. Samal // ФТП. — 2010. — Т. 44. — С. 1514—1518.

4. Терагерцовая спектроскопия узкозонных гетероструктур с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe / А. В. Иконников, А. А. Ластовкин, К. Е. Спирин, М. С. Жолудев, В. В. Румянцев, К. В. Маремьянин, А. В. Антонов, В. Я. Алешкин, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, H. Н. Михайлов, Ю. Г. Садофьев, N. Samal // Письма в ЖЭТФ. — 2010. — Т. 92. вып. 11—12, —С. 837—841.

5. Cyclotron resonance and interband optical transitions in HgTe/CdTe(013) quantum well heterostructures / A. V. Ikonnikov, M. S. Zholudev, К. E. Spirin, A. A. Lastovkin, К. V. Maremyanin, V. Ya. Aleshkin, V. I. Gavrilenko, O. Drachenko, M. Helm, J. Wosnitza, M. Goiran, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, F. Teppe, N. Diakonova, C. Consejo, B. Chenaud, W. Knap // Semiconductor Science and Technology. — 2011. — V. 26. N. 12, —P. 125011.

6. Исследование перестройки частоты импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона / А. А. Ластовкин, А. В. Иконников, В.

И. Гавриленко, А. В. Антонов, Ю. Г. Садофьев // Известия вузов. Радиофизика. — 2011. — Т. LIV, №8-9. — С. 676-683.

7. Циклотронный резонанс в узкозонных гетероструктурах на основе HgTe/CdTe(013) в квантующих магнитных полях / А. В. Иконников, М. С. Жолудев, К. В. Маремьянин, К. Е. Спирин, А. А. Ластовкин, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов // Письма в ЖЭТФ. — 2012. — Т. 95. вып. 8. — С. 452-^56.

8. Исследование спектров излучения 3 ТГц квантового каскадного лазера / A.A. Ластовкин, К.В. Маремьянин, A.B. Иконников, A.B. Антонов, В.И. Гавриленко, В.Л. Вакс, Е.А. Собакинская // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. —2012.—№5—С. 71-74.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук

На правах рукописи

04201457216

Ластовкин Артём Анатольевич

Исследование спектров излучения импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона и их применение для спектроскопии гетероструктур на основе К^Те/С«1Те с квантовыми

ямами

01.04.03 - Радиофизика

05.27.01 - Твёрдотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано-электроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук проф. В. И. Гавриленко

Нижний Новгород 2014

Оглавление

Введение........................................................................................................5

Глава 1 Квантовые каскадные лазеры (обзор литературы)..................12

1.1 Лазеры среднего инфракрасного диапазона.............................13

1.1.1 Перестройка частоты ККЛ......................................................18

1.1.2 Спектральные особенности ККЛ...........................................21

1.2 Лазеры терагерцового диапазона...............................................23

1.2.1 Волноводы и резонаторы для ТГц ККЛ................................30

1.3 Технологии улучшения характеристик ТГц ККЛ....................34

1.3.1 Методы увеличения рабочей температуры ТГц ККЛ..........34

1.3.2 Увеличение мощности ТГц ККЛ...........................................36

Глава 2 Спектральные исследования ККЛ ТГц диапазона..................39

2.1 Исследуемые лазеры....................................................................39

2.2 Методика измерений характеристик ККЛ................................46

2.2.1 Вольт-амперные характеристики ТГц ККЛ..........................46

2.2.2 Методика измерений токовых зависимостей интенсивности излучения ККЛ..............................................................................................47

2.2.3 Спектральные характеристики излучения ККЛ...................50

2.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение...................50

2.3.1 Вольт-амперные характеристики...........................................50

2.3.2 Исследование зависимостей интенсивности излучения ККЛ оттока ...................................................................................................57

2.3.3 Осциллограммы импульсов излучения ККЛ........................61

2.3.4 Спектры излучения ККЛ.........................................................63

Глава 3 Спектральные исследования ТГц ККЛ с высоким спектральным разрешением.................................................................................66

3.1 Методика измерений спектров ККЛ с высоким разрешением 66

3.2 Результаты и обсуждение............................................................69

3.2.1 ВАХ и излучательные характеристики.................................69

3.2.2 Спектры излучения ККЛ с высоким разрешением..............69

3.2.3 Исследование перестройки частоты ККЛ за время импульса генерации ...................................................................................................79

3.2.4 Увеличение частоты ККЛ при нарастании мощности излучения ...................................................................................................86

3.2.5 Перестройка частоты ККЛ в течение импульса излучения большой длительности.................................................................................91

Глава 4 Терагерцовая спектроскопия полупроводниковых узкозонных гетероструктур на основе соединения ЩСс1Те с использованием ТГц ККЛ. 93

4.1 Полупроводниковые узкозонные гетероструктуры на основе соединения ^СёТе (обзор литературы)........................................................93

4.2 Методика исследования циклотронного резонанса двумерных носителей заряда в полупроводниковых гетероструктур с использованием ТГцККЛ ......................................................................................................101

4.3 Методика исследования циклотронного резонанса двумерных носителей заряда в полупроводниковых структур с использованием фурье-спектромметра.................................................................................................115

4.4 Методы исследования эффекта Холла и осцилляций Шубникова - де Гааза.....................................................................................115

4.5 Метод расчёта зонной структуры КЯ и уровней Ландау......116

4.6 Исследуемые образцы...............................................................117

4.7 Исследование ЦР в гетероструюурах с КЯ HgTe/CdHgTe(013) в классических магнитных полях..................................................................120

4.8 Спиновое расщепление Рашбы.................................................126

4.9 Терагерцовая спектроскопия узкозонных гетероструктур на основе HgTe/CdTe(013) с КЯ в квантующих магнитных полях.................134

Заключение................................................................................................150

Список литературы...................................................................................153

Введение

С развитием технологий квантовой инженерии стало возможным создание квантовых каскадных лазеров (KKJI) в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. При этом такие свойства лазеров, как когерентность излучения, компактность, возможность проектирование лазера заданной частоты, возможность перестройки частоты лазера температурой, током, внешними резонаторами и др., или, наоборот, возможность стабилизации частоты лазера, а также токовая накачка лазеров, определили востребованность таких источников в различных приложениях, в частности терагерцовой спектроскопии. При этом для терагерцовой спектроскопии остаются актуальными задачи управления частотой излучения KKJ1 за счёт изменения их рабочих температур. Исследования процессов разогрева лазерной структуры позволяют контролировать перестройку частоты лазеров, что может быть использовано в приборах селективного обнаружения примесей разнообразных веществ. Также значительный исследовательский интерес представляет применение KKJ1 в ТГц спектроскопии узкозонных полупроводниковых наноструктур, например, гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) CdHgTe (KPT структуры), на основе которых могут быть созданы новые источники и приёмники излучения терагерцового диапазона. В таких структурах даже небольшое варьирование составов ям, барьерных слоёв и толщин КЯ приводит к значительным изменениям зонной структуры. Мощным инструментом исследования зонной структуры полупроводников является метод циклотронного резонанса (ЦР) двумерных (2D) носителей заряда, позволяющий провести исследования, востребованные при создании на основе КРТ структур лазеров и приемников терагерцового диапазона.

Рабочая температура оказывает существенное влияние на спектр излучения KKJI ТГц диапазона. Однако в опубликованных до настоящего времени работах (см., например [1], [2], [3]) перестройка частоты ТГц ККЛ при изменении рабочей температуры исследовалась только в узком

интервале значений последней. Всего при нескольких значениях температуры были получены спектры излучения ККЛ в работах [4] и [5]. Исследования перестройки частоты ТГц ККЛ в течение импульса генерации ограничены лишь одной работой [3], где методом гетеродинирования исследована перестройка частоты излучения импульсного ККЛ в течение импульса относительно частоты излучения другого непрерывного ТГц ККЛ (гетеродина).

В настоящее время наблюдается возрождение интереса к узкозонным гетероструктурам с квантовыми ямами на основе НдТе/СсГГе, которые обладают целым рядом уникальных свойств. Большая часть исследований таких структур посвящена изучению электронного транспорта. В работе [6] был исследован квантовый спиновый эффект Холла в образцах с инвертированной зонной структурой. В работах [7], [8] представлены результаты исследований осцилляций Шубникова - де Гааза образцов с ассиметричным профилем легирования. Обнаружено гигантское (до 30 мэВ) спиновое расщепление Рашбы. Эффективным методом изучения энергетического спектра узкозонных материалов является исследование циклотронного резонанса и межзонного магнитопоглощения в квантующих магнитных полях. В гетероструктурах ^Те/Сс1^Те такие исследования были начаты в работах [9], [10], [11], [12] и до начала настоящей диссертационной работы были выполнены лишь на нескольких образцах с инвертированным зонным спектром.

Целями диссертационной работы являлись исследование спектральных характеристик импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона, развитие методики использования квантовых каскадных лазеров для терагерцовой спектроскопии полупроводниковых наноструктур и выявление особенностей зонного спектра узкозонных гетероструктур на основе НдТе/С(1Те с квантовыми ямами, что включало в себя решение следующих задач:

1. Детальное изучение спектральных характеристик ККЛ терагерцового диапазона с дизайном активной области «резонансное испускание оптического фонона», размещённых в двойном металлическом полосковом волноводе, определение модового состава генерации и его изменения с температурой, рабочим током, временем в течение импульса генерации.

2. Определение методом фурье-спектроскопии высокого разрешения диапазона перестройки частоты моды генерации при изменении температуры, в том числе за счет разогрева в течение импульса генерации.

3. Развитие методики использования импульсных квантовых каскадных лазеров терагерцового диапазона для магнитооптических исследований полупроводниковых наноструктур.

4. Исследование ЦР 20 электронов в гетероструктурах на основе Б^Те/СсГГе в классических магнитных полях и определение зависимости циклотронной массы от концентрации электронов и ширины ямы.

5. Исследование ЦР и межзонных оптических переходов в гетероструктурах на основе НдТе/СёТе в квантующих магнитных полях.

Научная новизна:

1. Впервые продемонстрирована «перекачка» интенсивности излучения ТГц ККЛ в более высокочастотные моды с увеличением температуры, в том числе при разогреве активной области лазера в течение импульса генерации.

2. В широком температурном диапазоне (8-86 К) измерена перестройка частоты моды генерации ТГц ККЛ.

3. В гетероструктурах ЩТе/Сс1Н§Те с инвертированной зонной структурой экспериментально продемонстрировано возрастание циклотронной массы электронов при увеличении ширины КЯ.

4. В квантовых ямах HgTe/CdHgTe обнаружено гигантское расщепление линии ЦР электронов (Amc/mc ~ 0.12), связанное со спиновым расщеплением Рашбы.

5. В гетероструктурах на основе HgTe/CdTe с квантовыми ямами с нормальной зонной структурой впервые измерены спектры ЦР электронов в квантующих магнитных полях и обнаружены переходы с трех нижних уровней Ландау.

6. Показано, что в образцах HgTe/CdHgTe п-типа с инвертированной зонной структурой ЦР дырок может наблюдаться и в отсутствие перекрытия зон.

Практическая и теоретическая значимость работы:

Продемонстрированный в работе эффект перестройки частоты моды генерации ТГц ККЛ в течение импульса может быть использован для создания на основе этих приборов газовых детекторов реального времени. Результаты исследований спектральных характеристик импульсных ТГц ККЛ были использованы в работе при создании спектрометра ТГц диапазона для исследования ЦР двумерных носителей заряда в квантовых ямах HgCdTe. Этот спектрометр уже используется для магнитооптических исследований других узкозонных систем (см., например, [13]). Теоретическая значимость работы заключается в получении нового знания об энергетическом спектре гетероструктурах с КЯ на основе HgTe/CdTe. Полученные в диссертации результаты исследований этих структур могут быть использованы при создании новых оптоэлектронных приборов терагерцового диапазона.

Методы исследования:

Исследование спектральных характеристик импульсных ККЛ (модовый состав излучения) проводилось методом фурье-спектроскопии с использованием прибора, работающего в режиме пошагового сканирования. Для регистрации импульсных сигналов использовался метод

стробоскопического преобразования с последующим накоплением для улучшения отношения сигнал/шум. Перестройка частоты моды генерации ККЛ исследовалась с использованием фурье-спектрометра быстрого сканирования высокого (до 0.007 см"1) разрешения. Узкозонные гетероструктуры с КЯ на основе Н§Те/Сс1Те исследовались транспортными методами (эффект Холла и осцилляции Шубникова — де Гааза) и методами абсорбционной спектроскопии. Спектры ЦР исследовались как с использованием монохроматических источников излучения (ККЛ, лампы обратной волны) с разверткой магнитного поля до 5.5 Тл, так с использованием фурье-спектрометра в постоянных магнитных полях. В импульсных магнитных полях до 45 Тл спектры магнитопоглощения (ЦР электронов и дырок, межзонные переходы) исследовались с использованием ККЛ среднего ИК диапазона (длина волны излучения 11,4 и 14,8 мкм).

Основные положения, выносимые на защиту:

1) В спектрах излучения импульсного квантового каскадного лазера терагерцового диапазона наблюдается «перекачка» интенсивности излучения в более высокочастотные моды с увеличением температуры, а также в течение импульса излучения, что связано с разогревом активной области лазера.

2) Повышение рабочей температуры (от 8 до 86 К) квантового каскадного лазера терагерцового диапазона приводит к изменению частоты генерации, достигающей 5 ГГц.

3) В квантовых ямах ^Те/Сс1^Те с инвертированной зонной структурой эффективная масса в зоне проводимости возрастает с увеличением ширины квантовой ямы в отличие от ям с нормальной зонной структурой.

4) В ассиметричных (с односторонним селективным легированием барьеров) квантовых ямах НдТе/Сс1Н§Те с инвертированной зонной структурой наблюдается сильное расщепление линии циклотронного

резонанса электронов, связанное со спиновым расщеплением Рашбы (ДиТс/гЛс -0.12 при Дя = 30 мэВ).

5) Пересечение нижнего уровня Ландау электронов и верхнего уровня Ландау дырок в квантовых ямах HgTe/CdHgTe с инвертированной зонной структурой позволяет одновременно наблюдать линии циклотронного резонанса электронов и дырок.

Степень достоверности и апробация результатов исследования

Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается применением апробированных в ИФМ РАН и в других исследовательских центрах методик. Результаты экспериментальных исследований приводятся в сопоставлении с теоретическими расчетами, а также с другими данными, представленными в литературе. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на XIII-XVIÍ Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород 20092013 гг.); IX, X Российских конференциях по физике полупроводников (Новосибирск-Томск 2009, Нижний Новгород 2011); Международном форуме по нанотехнологиям «Rusnanotech' 10» (Москва 2010); 4 Всероссийской конференции молодых ученых «Микро- и нанотехнологии и их применение» (Черноголовка 2010); VII, VIII Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород 2009, 2011); XIV научной конференции по радиофизике, посвященной 80-й годовщине со дня рождения Ю.Н. Бабанова (Нижний Новгород 2010); Международной конференции XIV Харитоновские тематические научные чтения «Мощная импульсная электрофизика» (Саров 2012); Международной конференции «Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications» (Москва 2012); Международной конференции «International Conference on Superlattices, Nanostructures, and Nanodevices» (Дрезден 2012); Форуме молодых учёных (Нижний Новгород 2013); а также на семинарах Института физики микроструктур РАН. Результаты по теме диссертации

опубликованы в 28 печатных работах, в том числе в 8 статьях в реферируемых научных журналах и в сборниках тезисов докладов и трудов конференций и симпозиумов (20 публикаций). Все вышеперечисленное в совокупности свидетельствует о достоверности полученных результатов и сделанных на их основании выводов.

Глава 1 Квантовые каскадные лазеры (обзор литературы)

В 1971 году Казаринов и Сурис предложили метод генерации электромагнитного излучения при токовой накачке при переходах электронов между подзонами размерного квантования в многопериодных (или многокаскадных) гетероструктурах с квантовыми ямами, которые могут быть получены последовательным эпитаксиальным выращиванием тонких полупроводниковых слоев различного состава [14]. Идея создания межподзонных лазеров основывалась на генерации фотонов с энергией ниже продольного оптического (ЬО) фонона (в ваАв Ею = 36 шеУ) [15],[16]. При низкой температуре, электрон, находящийся на верхнем рабочем уровне, обладает недостаточной энергией для испускания оптического фонона и безызлучательного перехода на нижний рабочий уровень, за счет этого достигается большее времени жизни на верхнем рабочем уровне (куда электроны поступают за счет туннелирования из предыдущего каскада), что облегчает задачу создания инверсной населенности. Первые эксперименты по осуществлению межподзонной эмиссии в 1988 году продемонстрировали возможность генерации излучения в терагерцовом диапазоне, эксперименты проводились на структуре со сверхрешеткой СаАз/АЮаАз [17]. В 1994 г. был создан первый лазер среднего ИК диапазона, работающий на межподзонных переходах при токовой накачке [18], получивший название квантового каскадного лазера (ККЛ). ККЛ представляет �