Люминесценция и поглощение излучения среднего ИК диапазона в наноструктурах с квантовыми ямами в условиях разогрева носителей заряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи *1,<М

Тхумронгсилапа Папхави

Люминесценция и поглощение излучения среднего ИК диапазона в наноструктурах с квантовыми ямами в условиях разогрева носителей заряда

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2010

004600942

004600942

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ханкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель: доктор физико-математических, наук

профессор Воробьев Леонид Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Мамаев Юрий Алексеевич, кафедра экспериментальной физики, СПбГПУ

Защита состоится «22» апреля 20 Н) года в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 в ГОУ 0ПО "Санкт- Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, учебный корпус 2, ауд. 470. С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ В1ТО "Санкт- Петербургский государственный политехнический университет"

Автореферат разослан «19» марта 2010 г.

доггор физико-математических наук главный научный сотрудник Михайлова Майя Павловна ФТИ им. Иоффе РАН

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук

Санкт-Петербургский академический университет - научно-образовательный центр нанотехнолопш РАН.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Коротков А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Явление разогрева носителей заряда во многих случаях сопутствует физическим процессам, протекающим в полупроводниковых приборах, в том числе и в приборах, включающих системы с ограниченной размерностью. В частности в полупроводниковых инжекционных лазерах при высоких уровнях инжекции электронно-дырочных пар (при токе, значительно превышающем пороговый) двумерные носители заряда в квантовых ямах могут иметь температуру, существенно превышающую температуру решетки, что влияет на спектральные, люкс-амперные и другие характеристики лазеров. В квантовых каскадных лазерах процессы энергетической релаксации двумерных электронов, их разогрев и появление неравновесных оптических фононов также влияют на характеристики лазеров, чему посвящен ряд работ зарубежных и российских авторов. Исследование разогрева носителей заряда в квантовых ямах в сильных латеральных электрических полях или при оптической накачке представляет и самостоятельной научный интерес, так как разогрев носителей заряда приводит к появлению новых явлений, исследование которых дает возможность определить или оценить параметры энергетического спектра квантовых ям, характеристики электронной и фононной подсистем. В силу вышесказанного самостоятельное излучение разогрева носителей заряда в лазерных наноструктурах, а также в структурах со множественными квантовыми ямами представляется достаточно важной и интересной задачей. Между тем исследований по горячим носителям заряда в низкоразмерных системах недостаточно.

В настоящей работе изучение явления разогрева осуществлялось с помощью оптических явлений: фото- и электролюминесценция

поглощения света. С помощью этих же явлений исследовались в БЬ-содержащих лазерных наноструктурах механизмы рекомбинации, также определяющие характеристики лазеров. Такие исследования необходимы для создания лазеров на базе БЬ-содержащих квантовых ям на длину волны более 3 мкм. Подобного типа лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре с мощностью более 50 мВт, пока не созданы, хотя потребность в их научном и практическом использовании весьма актуальна.

Основной целью диссертационной работы является исследование разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами с помощью оптических явлений: люминесценция и поглощения излучения среднего инфракрасного диапазона. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование явления разогрева носителей заряда в режимах спонтанного и индуцированного излучения из лазерных структур с квантовыми ямами 1пОаА.ч/ОаА8. Определение концентрации электронов в КЯ и степени их разогрева как функции тока в этих режимах.

2. Определения механизмов рекомбинации носителей заряда из анализа динамики фотолюминесценции в структурах двух типов -содержащих и не содержащих 1п в растворе, формирующем барьер. Анализ влияния оже-рекомбинации на разогрев носителей заряда в этих двух типах структур.

3. Экспериментальное исследование фотолюминесценции и разогрева электронов в наноструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами ОаАя/АЮаА? при разных уровнях оптической накачки. Проведение экспериментальных исследований явления разогрева носителей заряда при оптическом возбуждении как в латеральных электрических полях, так и в отсутствии поля.

4. Экспериментальное исследование поглощения света при внутризонных переходах горячих носителей заряда электронов в квантовых ямах ОаЛз/'АЮаЛй в латеральных электрических полях.

Основными полученными в работе результатами являются: исследование оптическими методами явления разогрева носителей заряда в лазерных наноструктурах с квантовыми ямами и в структурах со сдвоенными туннельно-связанньши квантовыми ямами в режимах спонтанного и индуцированного излучения; определение температура и концентрации горячих электронов в квантовых ямах в двух режимах как функции уровня токовой или оптической накачки; определение механизмов рекомбинации в лазерных БЬ-содержащих наноструктурах с квантовыми ямами методом "ир-сопуегеюп" пикосекундного диапазона при возбуждении электронно-дырочных пар оптическими импульсами фемтосекундного диапазона; исследованы роли оже-рекомбинации в разогреве носителей заряда в БЬ-содержащих КЯ при мощном оптическом возбуждении; изучено влияние электрического поля на каналы ФЛ по изменению спектров ФЛ в поле; исследование разогрева электронов и определение температуры горячих электронов как функция поля в сдвоенных КЯ в латеральных электрических полях по внутризонному межподзонному поглощению света. Полученные результаты важны не только для физики полупроводников и физики низкоразмерных систем, но имеют и прикладное значение, например, для разработки лазеров и модуляторов излучения среднего ИК диапазона.

Научная и практическая значимость работы. Большая часть исследований относится к такой актуальной области, как физика полупроводниковых наноструктур и приборы опто- и наноэлектроники. В работе оптическими методами изучено такое малоисследованное явление как разогрев носителей заряда при токовой или оптической накачке в режиме спонтанного и индуцированного излучения в лазерных наноструктурах,

наноструктурах со множественными КЯ, впервые изучены механизмы рекомбинации неравновесных носителей заряда в БЬ-содержащих квантовых ямах современными методами. Полученные результаты имеют как научное значение, расширяя наши знания о физике низкоразмерных систем и физических процессах в приборах на базе наноструктур с КЯ, так и прикладное, т.к. полученные данные могут быть использованы значение при разработке приборов опто- и наноэлектроники среднего ИК диапазона.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. В режиме стимулированного излучения при высоких уровнях токовой инжекции электронно-дырочных пар в лазерных наногетероструктурах носители заряда на основных уровнях нелегированных квантовых ям (КЯ) разогреваются, а их концентрация не стабилизируется, а растет с ростом тока. В режиме спонтанного излучения разогрев носителей заряда несущественен.

2. В БЬ-содержащих лазерных наноструктурах с квантовыми ямами Ino.545Gao.455Aso.238Sbo.762 с барьерами Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97 оже-рекомбинация выражена сильнее, чем в структурах с барьерами пятерного состава Ino.25Alo.20Gao.55Aso.245Sbo.755 из-за вклада резонансных оже-процессов. Оже-рекомбинация при высоких уровнях возбуждения электронно-дырочных пар приводит к разогреву носителей заряда в квантовых ямах.

3. В наноструктурах с легированными квантовыми ямами в режиме спонтанного излучения носители заряда в КЯ разогреваются с ростом уровня инжекции немонотонно: сильнее при относительно слабых уровнях инжекции и слабее при высоких уровнях.

4. Спектры ФЛ меняются в сильных латеральных электрических полях из-за разогрева носителей заряда в квантовых ямах.

5. Изменение спектров межподзонного поглощения света в наноструктурах с туннельно-связанными КЯ вызвано перераспределением горячих электронов между КЯ разной ширины.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях, в частности:

1. XXXVI Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, Санкт-Петербург, 26 ноября - 1 декабря, 2007.

2. IX Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводников, опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 37 Декабря 2007

3. XII Международный Симпозиум. Институт физики микроструктур РАН. Нижний Новгород, 10-14 марта 2008

4. XIII Международный Симпозиум. Институт физики микроструктур РАН. Нижний Новгород, 16-20 марта 2009

5. XI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников, опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 30 ноября - 4 декабря 2009.

6. XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 30 ноября - 5 декабря 2009 - С. 166.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 статьях и докладах, среди которых 3 публикаций в ведущих рецензируемых российских научных изданиях и 8 тезисов докладов на российских и международных конференциях. Список публикаций приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 126 страниц, в том числе 45 рисунок, 2 таблицы. Список литературы включает 64 наименований.

Содержание работы

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

В первой главе рассматриваются результаты исследований концентрации и температуры горячих носителей заряда в режимах спонтанного и индуцированного излучения из лазерных структур с квантовыми ямами 1пОаА5/СаАз[1]. Описываются основные теоретические предпосылки, определяющие рекомбинационные процессы в лазерных гетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) при разогреве носителей заряда в условиях токовой накачки. Зависимость концентрации от ] определяется главным образом тремя процессами: безызлучательной рекомбинацией через ловушки, излучательной бимолекулярной рекомбинацией и оже-рекомбинацией. В режиме спонтанного излучения поверхностная концентрация инжектированных носителей заряда и, примерно пропорциональна плотности тока у. После достижения порогового тока концентрация инжектированных носителей в КЯ стабилизируется с ростом тока и концентрация носителей заряда не меняется из-за уменьшения излучательного времени жизни носителей заряда г'"' благодаря индуцированному испусканию фотонов. Однако при больших уровнях токовой или оптической инжекции электронов и дырок возможен их разогрев. Разогрев носителей носителей заряда в подзонах КЯ может оказаться особенно существенным в постпороговом режиме, так как концентрация носителей заряда с ростом уровня инжекции не растет или растет слабо, тогда как скорость набора энергии на один носитель заряда возрастает с ростом тока и может оказаться значительной при /»у,д. Эта ситуация отлична от случая допорогового режима, так как в этом режиме (в области спонтанного

излучения) растет с ростом у, поэтому скорость набора энергии с током на один носитель увеличивается с ростом уровня инжекции значительно медленнее, если активная область не легирована или легирована слабо.

В основной части главы описаны исследования в режиме спонтанного излучения и индуцированного излучения. Проведен анализ экспериментальных исследуемых спектров спонтанного излучения при Г = 77 К. Этот анализ позволяет определить концентрацию горячих носителей заряда я, в КЯ и их температуру Т.. Их значения могут быть найдены из совместного решения уравнения баланса числа частиц и уравнения баланса мощности в стационарном режиме.

В результате получено удовлетворительное согласие экспериментально найденных и рассчитанных спектров и их зависимостей от плотности тока. Уширение пика в коротковолновой области и смещение спектра в эту область связаны с ростом концентрации носителей заряда и вкладом запрещенных межзонных переходов с различным четностью: е\-*ИИ2, который особенно существен при больших значениях Аи/.у„■ =3 [2], где кц - волновой вектор носителей заряда в плоскости КЯ.

Также проведен анализ экспериментальных спектров стимулированного излучения. Эксперимент был проведен при комнатной температуре. Из экспериментальных результатов установлено, что с ростом тока накачки наблюдается насыщение максимума спектральной зависимости интенсивности излучения, а также происходит существенное уширение спектра в коротковолновой области. Уширение спектра стимулированного излучения связано с ростом концентрации носителей заряда в активной области и их разогревом.

Вторая глава посвящена исследованию механизмов рекомбинации носителей заряда из анализа динамики спада фотолюминесценции в БЬ-содержащих лазерных наноструктурах

Во введении упомянуты применения лазеров среднего инфракрасного диапазона в различных областях науки и техники. Наибольшую ценность представляют лазеры с мощностью излучения, превышающей 50 мВт и работающие при комнатной температуре в непрерывном режиме. Диапазон длин волн Я >3.8 мкм освоен с помощью хорошо известных монополярных квантовых каскадных лазеров. Диапазон длин волн примерно 2-2.9 мкм перекрыт с помощью инжекционных лазеров на гетероструктурах 1пОаЛ83Ь/АЮаА58Ь I типа. Диапазон длин волн примерно 3 + 3.8 мкм пока не освоен. Наиболее перспективными для освоения этого диапазона представляются инжекционные лазеры на гетероструктурах I типа на подложке ваБЬ. Однако на пути продвижения в область длин волн Я > 3 мкм имеется ряд трудностей. Для увеличения длины волны излучения возможный вариант -использование пятикомпонентных твердых растворов 1пЛА1уСа|-уА5г8Ь|-; для создания барьера квантовой ямы и волновода.

Исследование динамики фотолюминесценции БЬ-содержащих лазерных наноструктур, является эффективным способом определения рекомбинационных процессов таких структур. Использование метода "ир-сопуегеюп" позволяет получить зависимость интенсивности фотолюминесценции в максимуме спектра излучения от времени, для структур, содержащих 1п в материале барьера и без 1п в температурном интервале 77...300 К. Начальные участки зависимостей JP,(t) отражают процессы захвата носителей заряда в квантовые ямы и процессы внутри- и межподзонной релаксации энергии электронов и дырок, возбуждаемых мощным фемтосекундным импульсом излучения в барьере. Спад интенсивности фотолюминесценции JpL(t) определяется следующими рекомбинационными

процессами: рекомбинацией Шокли-Рида-Холла, излучательной рекомбинацией и оже-рекомбинацией. Определены аддитивные вклады механизмов рекомбинации Шокли-Рида-Холла, излучательной рекомбинации и оже-рекомбинации в полную вероятность рекомбинации. При высоких уровнях инжекции процессы оже-рекомбинации приводят к существенному разогреву носителей заряда в квантовых ямах.

Установлено, что вероятность оже-рекомбинацни в структуре без содержании 1п в барьере выше, чем в структуре со содержанием 1п в материале барьера из-за вклада оже-процессов, близких к резонансным. Полученные, экспериментальные результаты показали, что время оже-рекомбинации в структурах с пятикомпонентными твердыми растворами в качестве барьера оказывается больше чем в структуре без содержания 1п. Это и является причиной лучших характеристик пятикомпонентных структур.

В третьей главе описываются результаты экспериментальных исследований фотолюминесценции в наноструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами ОаАя/АЮаАя.

В основной части главе описано исследование процессов разогрева носителей заряда в квантовых ямах при оптическом возбуждении в отсутствии электрического поля. Энергию порядка глубины КЯ инжектированные электроны и дырки передают либо решетке при эмиссии оптических фононов либо электронам и дыркам на нижних уровнях размерного квантования. При достаточно высокой концентрации электронов или дырок (я, >10" см"2, я, -поверхностная концентрация носителей заряда) в подзонах квантовых ям второй процесс преобладает и это приводит к разогреву электронов и дырок. Разогрев носителей заряда может существенно изменить характеристики лазеров на наноструктурах с КЯ. Анализированы спектры спонтанной ФЛ при разных уровнях оптического возбуждения _/ наноструктуры со 100 парами сдвоенных туннельно-связанных КЯ ОаАзЛМо.зхСаомАй п-типа, легированных

до уровня поверхностной концентрации электронов «,=6-10" см"2. Основной вклад в ФЛ при низкой температуре решетки и не очень высоком уровне накачки дают переходы электронов е/ - /г/?;, что позволяет определить температуру носителей заряда Те по коротковолновому спаду интенсивности ФЛ как функции энергии кванта. Такой метод определения Тс ранее использовался в работах [3]. Анализ коротковолнового участка спектра ФЛ позволил найти температуру горячих носителей заряда в зависимости от уровня возбуждения ¡1тЩ1. Зависимость носит нелинейный характер, что связано с разной зависимостью скорости набора энергии на один носитель заряда от ¡р,тр в области слабых уровней накачки, когда концентрация неравновесных электронов (и дырок) Ди, много меньше и, и в области высоких уровней накачки, когда Ди, »и,. Расчет зависимости Те(/;„„,1() из скоростных уравнений для концентрации носителей заряда и баланса мощности с учетом накопления неравновесных оптических фононов дал хорошее согласие с экспериментом. Таким образом, настоящее исследование демонстрирует особенности разогрева носителей заряда в легированных и нелегированных структурах. Первый случай соответствует условию Ап, «и, (при умеренных уровнях ), а второй

УСЛОВИЮ Д», » п,.

Помимо равновесных спектров ФЛ интерес представляет фотолюминесценция в условиях разогрева носителей заряда внешним продольным электрическим полем. На рисунке 1 представлен измеренный спектр модуляции ФЛ структуры при температуре 77 К для двух значений латерального электрического поля

D0"hhi Vhhi

hv, эВ

Рис. I. Спектры модуляции ФЛ в электрическом поле 500 В/см2 и 750 В/см2 при температуре 77 К

В спектре модуляции фотолюминесценции, представленном на рисунке 1, присутствуют три пика. Отрицательный пик лежит в районе максимума фотолюминесценции без поля, связан с уменьшением интенсивности переходов электронов e/-hhi из-за уменьшения числа носителей заряда на уровне е/ при приложении продольного электрического поля. Соответствующее увеличение концентрации электронов на уровне е2 приводит к положительному сигналу модуляции в коротковолновой области (соответствующий положительный пик модуляции на графике показан стрелкой е2 - /г/г?).

Положительный длинноволновый пик модуляции фотолюминесценции не укладывается в схему электронных переходов между уровнями размерного квантования. Его можно связать с переходами электронов с примесного донорного уровня D" в валентную зону. Это предположение представляется возможным, поскольку данный длинноволновый пик находится на расстоянии

14 мэВ от максимума спектра ФЛ, что соответствует энергии ионизации кремния в нашей структуре (ширина квантовой ямы 68 А).

В четвертой главе описаны результаты экспериментальных исследований поглощения света при внутризонных межподзонных переходах горячих носителей заряда в квантовых ямах п-ОаАБ/АЮаАв в латеральном электрическом поле. При 7" = 77 к получены спектры модуляции поглощения света р-поляризации в латеральных электрических полях. В сильных электрических полях горячие электроны перераспределяются в реальном пространстве между квантовыми ямами, заполняя более высоколежащие подзоны в узких квантовых ямах, что приводит к увеличению коэффициента поглощения в коротковолновой области спектра. Аналогичный эффект наблюдается при увеличении температуры решетки. Сравнение спектров позволило найти температуру горячих электронов как функцию поля. Экспериментальные результаты для Те сравниваются с расчетом.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Определены температура и изменение концентрации горячих носителей заряда как функция плотности тока в режимах спонтанного и индуцированного излучения в лазерных напряженных асимметричных структурах 1п|.хСахА5/СаАя

2. Исследована динамика фотолюминесценции методом "ир-сопуегетп", установлены механизмы рекомбинации горячих носителей заряда и найдены их времена жизни по отношению к механизмам Шокли-Рида-Холла, излучательной и оже-рекомбинации в структурах с напряженными (~ 1.7%) квантовыми ямами двух типов: ЫСаАзЗЬ/АЮаАзБЬ и ¡пОаАзЗМпАЮаАБЗЬ. Оценен разогрев носителей заряда при оже-рекоминации.

3. Исследованы спектры фотолюминесценции структур с туннельно-связанными квантовыми ямами ОаАэ/АЮаАй в отсутствии

электрического поля при разных температурах решетки и интенсивностях оптической накачки. Из анализа коротковолновой части спектров фотолюминесценции найдена зависимость электронной температуры от уровня оптической накачки. Исследованы спектры изменения фотолюминесценции в продольном электрическом поле.

4. Исследована зависимость изменения межподзонного поглощения света в структурах с легированными квантовыми ямами п- типа GaAs/AlGaAs в латеральных электрических полях. Определена электронная температура Те. Результаты сравниваются с расчетом Т как функции поля с учетом накопления неравновесных оптических фононов.

Список цитируемой литературы:

[1] Слипченко С.О. Конечное время рассеяния энергии носителей заряда как причина ограничения оптической мощности полупроводниковых лазеров / С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, H.A. Пихтин, Д.А. Винокуров, К.С. Борщев, И.С. Тарасов // Физика и Техника Полупроводников. - 2006. - Том. 40 - Вып. 8. - С. 1017- 1023.

[2] Соколова З.Н. Расчеты вероятности излучательных переходов и времени жизни в квантово-размерных структурах / З.Н. Соколова, В.Б Халфин. // Физика и Техника Полупроводников - 1989. - Том. 23 - Вып. 10. - С. 1806 - 1810.

[3] Shah, J. Chapter 2 "Ultrafast Luminescence Spectroscopy of Semiconductors: Carrier Relaxation, Transport and Tunneling" / J. Shah, C.V. Shank, B.P. Zakharchenya // Spectroscopy of nonequilibrium electrons and phonons - 1992 -North Holland; Amsterdam, London, New York, Tokyo - Pp. 61 - 85.

Публикации по теме диссертации

Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК: [А1]. Воробьев JI.E. Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК-излучения горячими электронами в квантовых ямах / Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.Л.Зерова, В.А.Шалыгин, М.Я.Винниченко,

B.Ю.Паневин, П.Тхумронгсилапа, К.С.Борщев, А.Е.Жуков, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов, G. Belenky, S. Hanna, А. Seilmeier // Известия РАН. Серия Физическая - 2009 - Т. 73 - Вып. 1 - С. 79 - 82.

[А2]. Фирсов Д.А. Динамика фотолюминесценции и рекомбинационные процессы в Sb-содержащих лазерных наноструктурах / Д.А.Фирсов, L. Shterengas, G. Kipshidze, Т. Hosoda, В.Л.Зерова, Л.Е.Воробьев, П. Тхумронгсилапа, G. Belenky // Физика и техника полупроводников - 2010 - Т. 44 - Вып. 1-С. 53-61.

[A3]. Фирсов Д.А. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs / Д.А.Фирсов, Л.Е.Воробьев, В.А.Шалыкин, А.Н.Софронов, В.Ю.Паневин, М.Я.Винниченко, П. Тхумронгсилапа,

C.Д.Ганичев, С.Н.Данилов, А.Е.Жуков // Известия РАН. Серия Физическая -2010 - Т. 74 - Вып. 1 - С. 89 - 92.

Тезисы докладов:

[A4]. Тхумронгсилапа Папхави. Модуляция поглощения излучения при межподзонных переходах горячих электронов в туннельно-связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs / Папхави Тхумронгсилапа, Д.А.Фирсов, М.Я.Винниченко // XXXVI Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, Санкт-Петербург, 26 ноября - 1 декабря, 2007. - С. 119 -120

[А5]. Винниченко М.Я. Модуляция поглощения света в туннельно-связанных квантовых ямах в продольном электрическом поле / М.Я. Винниченко, Тхумронгсилапа Папхави, Д.А. Фирсов// IX Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- наноэлектроники: Тезисы докладов, Санкт-Петербург, 3 - декабря 2007 -С. 38.

[А6]. Воробьев J1.E. Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК излучения горячими электронами в квантовых ямах / Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Л.Зерова, М.Я.Винниченко, В.Ю.Паневин, Т. Папхави, К.С.Борщев, А.Е.Жуков, З.И.Соколова, И.С.Тарасов, G. Belenky // Материалы XII Международного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 10-14 марта, 2008 - Т. 1 - С. 173 - 175. [А7]. Воробьев Л.Е. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs / Л.Е.Воробьев, А.Н.Софронов, Д.А.Фирсов,

B.А.Шалыгин, В.Ю.Паневин, М.Я.Винниченко, П. Тхумронгсилапа,

C.Д.Ганичев, С.Н.Данилов, А.Е.Жуков // Материалы XIII Международного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 16-20 марта, 2009. - С. 10-11..

[А8]. Firsov, D.A. Light absorption related to hole transitions in quantum dots and impurity centers in quantum wells under external excitation / D.A. Firsov, L.E. Vorobjev, V.A. Shalygin, A.N. Sofronov, V.Yu. Panevin, M.Ya. Vinnichenko, P. Thumrongsilapa // 16th International Conférence on Electron Dynamics In Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures, Montpellier, France, 24-28 august,2009-P. 231.

[А9]. Воробьев, Л.Е. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками р-типа / Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, В.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, М.Я. Винниченко,

П. Тхумронгсилапа, С.Н. Данилов, А.Е. Жуков, А.И. Якимов, A.B. Двуреченский // IX Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2009»: Тезисы докладов, Новосибирск - Томск, 28 сентября -3 октября, 2009. - С. 74

[А 10]. Винниченко М.Я. Исследование фотолюминесценции и рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами / М.Я.Винниченко, Д.А.Фирсов, Тхумронгсилапа Папхави // XI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектроники, С.-Петербург, 30 ноября - 4 декабря 2009 - с. 42.

[АН]. Винниченко М.Я. Исследование Фотолюминесценции и рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами / М.Я.Винниченко, Д.А.Фирсов, Тхумронгсилапа Папхави // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 30 ноября - 5 декабря 2009 - С. 166.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 18.03.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 5723b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение

Глава I Концентрация и температура носителей заряда в режимах спонтанного и индуцированного излучения из лазерных структур с квантовыми ямами InGaAs/GaAs

1.1 Введение.

1.2 Дизайн лазерных структур и основные параметры.

1.3 Режим спонтанного излучения.

1.4 Режим стимулированного излучения.

2.2 Наноструктуры и методика исследований.45

2.3 Время жизни носителей заряда при разных оптической накачки и температурах решетки.50

2.4 Время жизни по отношению к оже-рекомбинации.56

2.5 Заключение.68

Заключение

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Определены температура и изменение концентрации горячих носителей заряда как функция плотности тока в режимах спонтанного и индуцированного излучения в лазерных напряженных асимметричных структурах In,xGaxAs/GaAs

2. Исследована динамика фотолюминесценции методом "up-conversion", установлены механизмы рекомбинации горячих носителей заряда и найдены их времена жизни по отношению к механизмам Шокли-Рида-Холла, излучательной и оже-рекомбинации в структурах с напряженными

1.7%) квантовыми ямами двух типов: InGaAsSb/AlGaAsSb и InGaAsSb/InAlGaAsSb. Оценен разогрев носителей заряда при оже-рекоминации.

3. Исследованы спектры фотолюминесценции структур с туннельно-связанными квантовыми ямами GaAs/AlGaAs в отсутствии электрического поля при разных температурах решетки и интенсивностях оптической накачки. Из анализа коротковолновой части спектров фотолюминесценции найдена зависимость электронной температуры от уровня оптической накачки. Исследованы спектры изменения фотолюминесценции в продольном электрическом поле.

4. Исследована зависимость изменения межподзонного поглощения света в структурах с легированными квантовыми ямами п- типа GaAs/AlGaAs в латеральных электрических полях. Определена электронная температура Г . Результаты сравниваются с расчетом Те как функции поля с учетом накопления неравновесных оптических фононов.

Список публикаций автора

Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК:

А1]. Воробьев Л.Е. Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК-излучения горячими электронами в квантовых ямах / Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.Л.Зерова, В.А.Шалыгин, М.Я.Винниченко, В.Ю.Паневин, П. Тхумронгсилапа, К.С.Борщев,

A.Е.Жуков, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов, G. Belenky, S. Hanna, A. Seilmeier // Известия РАН. Серия Физическая - 2009 - Т. 73 - Вып. 1 - С. 79 - 82.

А2]. Фирсов Д.А. Динамика фотолюминесценции и рекомбинационные процессы в Sb-содержащих лазерных наноструктурах / Д.А.Фирсов, L. Shterengas, G. Kipshidze, Т. Hosoda, В.Л.Зерова, Л.Е.Воробьев, П. Тхумронгсилапа, G. Belenky // Физика и техника полупроводников - 2010 -Т. 44-Вып. 1-С. 53-61. [A3]. Фирсов Д.А. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs / Д.А.Фирсов, Л.Е.Воробьев,

B.А.Шалыкин, А.Н.Софронов, В.Ю.Паневин, М.Я.Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Д.Ганичев, С.Н.Данилов, А.Е.Жуков // Известия РАН. Серия Физическая - 2010 - Т. 74 - Вып. 1 - С. 89 - 92.

Тезисы докладов:

А4]. Тхумронгсилапа Папхави. Модуляция поглощения излучения при межподзонных переходах горячих электронов в туннельно-связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs / Папхави Тхумронгсилапа, Д.А.Фирсов, М.Я.Винниченко // XXXVI Недель науки СПБГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, С.-Петербург, 26 ноября - 1 декабря, 2007. - С. 119-120

А5]. Винниченко М.Я. Модуляция поглощения света в туннельно-связанных квантовых ямах в продольном электрическом поле / М.Я. Винниченко, Тхумронгсилапа Папхави, Д.А. Фирсов// IX Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковй опто- наноэлектроник: Тезисы докладов, С.Петербург, 3 - декабря 2007 - С. 38.

А6]. Воробьев Л.Е. Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК излучения горячими электронами в квантовых ямах / Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Л.Зерова, М.Я.Винниченко, В.Ю.Паневин, Т. Папхави, К.С.Борщев, А.Е.Жуков, З.И.Соколова, И.С.Тарасов, G. Belenky // Материалы XII Международного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 10-14 марта, 2008 - Т. 1 - С. 173- 175.

А7]. Воробьев Л.Е. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs / Л.Е.Воробьев, А.Н.Софронов, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Ю.Паневин, М.Я.Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Д.Ганичев, С.Н.Данилов, А.Е.Жуков // Материалы XIII Международного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 16-20 марта, 2009. - С. 10 - 11.

А8]. Firsov, D.A. Light absorption related to hole transitions in quantum dots and impurity centers in quantum wells under external excitation / D.A. Firsov, L.E. Vorobjev, V.A. Shalygin, A.N. Sofronov, V.Yu. Panevin, M.Ya. Vinnichenko, P. Thumrongsilapa // 16th International Conference on Electron Dynamics In Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures, Montpellier, France, 2428 august, 2009-P. 231.

А9]. Воробьев, Л.Е. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками р-типа / Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, В.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, М.Я. Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Н. Данилов, А.Е. Жуков, А.И. Якимов, А.В. Двуреченский // IX Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2009»: Тезисы докладов, Новосибирск - Томск, 28 сентября - 3 октября, 2009. - С. 74

А10]. Винниченко М.Я. Исследование фотолюминесценции и рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами / М.Я.Винниченко, Д.А.Фирсов, Тхумронгсилапа Папхави // XI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектроники, С.Петербург, 30 ноября - 4 декабря 2009 - с. 42.

All]. Винниченко М.Я. Исследование Фотолюминесценции и рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами / М.Я.Винниченко, Д.А.Фирсов, Тхумронгсилапа Папхави // XXXVIII Недель науки СПБГПУ: Материалы международной научно-практической конференции, С.-Петербург, 30 ноября - 5 декабря 2009 - С. 166.

1. Henry, C.H. Absorbtion, Emission, and Gain Spectra of 1.3 |дт InGaAsP Quarternary Laser / C.H. Henry, R.A. Logan, H. Temkin, F. Ralph Merrit // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1983. - Vol. 19 - no. 6. - Pp. 941 -946.

2. Shah, J. Hot-carrier effects in 1.3 xm In^GaxAsyPi.y light emitting diodes / J. Shah, R.F. Leheny, R.E. Nahory, H. Temkin. // Applied Physics Letters. -1981. Vol. 35 - no. 6 - Pp. 618 - 620.

3. Kim, J.G. Room-temperature 2,5 p.m InGaAsSb/AlGaAsSb diode Lasers emitting 1W continuous waves / J.G. Kim, L. Shterengas, R.U. Martinelly, G.L. Belenky, D.Z. Garbuzov, W.K. Cha // Applied Physics Letters 2002. - Vol. 81-No. 17-Pp. 3146-3148.

4. Kim, J.G. High-Power room temperature continuous wave operation of 2,7 and 2,8 jam In (Al) GaAsSb/GaSb diode lasers / J.G. Kim, L. Shterengas, R.U. Martinelly, G.L. Belenky // Applied Physics Letters 2003. - Vol. 83 - No. 10 -Pp. 1926- 1928.

5. Воробёв, Л.Е. Фотоэлектрические явление в полупроводниках и размерно-квантованных структурах / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, Г.Г. Зегря, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, И.Н. Яссиевич, Е.В. Берегулин СПБ.: Наука, 2001. -247с.

6. Kinsler, P. Intersubband electron-electron scattering in asymmetric quantum wells designed for far-infrared emission. / P. Harrison, R.W. Kelsall // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 58 - no. 8. - Pp. 4771 - 4778.

7. Воробёв, Л.Е. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, Г.Г. Зегря, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, И.Н. Яссиевич, Е.В. Берегулин СПБ.: Наука, 2000. - 157с.

8. Воробьёв, Л.Е. Разогрев электронов сильным продольным электрическимполям в квантовых ямах. / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, В.Л. Зерова, Д.А. Фирсов // Физика и Техника Полупроводников 2003. - Том. 37 - Вып. 5. -С. 604-611.

9. Schubert Fred Е. Light emitting diodes / Fred Schubert E. Cambridge University press, 2003.

10. Соколова З.Н. Расчеты вероятности излучательных переходов и времени жизни в квантово-размерных структурах / З.Н. Соколова, В.Б Халфин. // Физика и Техника Полупроводников — 1989. Том. 23 - Вып. 10. — С. 1806 -1810.

11. Shah, J. Energy-loss Rates for Hot Electrons and Holes in GaAs Quantum wells. / J. Shah, A. Pinczuk, A.C. Gossard, W. Wiegmann // Physics Review Letters 1985. - Vol.54 - no. 18. - Pp. 2045 - 2048.

12. Gupta, R. Hot-electron transport in GaAs quantum wells effect of non-drifting hot phonons and interface roughness. / R. Gupta, N. Balkan, B.K. Ridley // Semiconductors Science Technology — 1992 Vol. 7 - Pp. 274 - 280

13. Bai, Y. Room temperature continuous wave operation of quantum cascade laserswith 12.5% wall plug efficiency / Y. Bai, S. Slivken, S.R.Darvish, M.Razeghi // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 93 - P. 021103.

14. Garbuzov, D.Z. 4 W quasi continuous - wave output power from 2 цт

15. Garcia, M. Low threshold high-power room temperature continuous-wave operation diode laser / M. Garcia, A. Salhi, A. Perona, Y. Rouillard, C. Sirtori, X. Marcadet, C. Alibert //IEEE Photonics Technology Letters 2004 - Vol.16 -Issue. 5-Pp. 1253- 1255.

16. Shterengas, L. Design of high power room - temperature continuous wave

17. GaSb based type I quantum - well lasers with X > 2.5 цт / L. Shterengas, G.L. Belenky, J.G. Kim, R.U. Martinelli // Semiconductor Science and Technology - 2004 - Vol. 19 - Pp. 655 - 658.

18. Belenky G.L. Future Trends in Microelectronics, edited by S. Luryi, J. Xu, A.

19. Zaslavsky, L. Shterengas, J.G. Kim, R.U. Martinelli, L.E. Vorobjev. // John Wiley and Sons, Inc 2004 - Pp. 349 - 356.

20. Shim, K. Band gap and lattice constant of GaxAsi.xInySbiy / K. Shim, H. Rabitz,

21. P. Datta // Journal of Applied Physics 2000 - Vol. 88 - no. 12 - Pp. 7157 -7161.

22. Данилов, JI.B. Теоретическое исследование процессов оже рекомбинациив глубоких квантовых ямах / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря. // Физика и Техника Полупроводников 2008. - Том. 42 - Вып. 5 - С. 566 - 572.

23. Данилов, JI.B. Пороговые характеристики ИК лазера на основе голубоокихквантовых ям InAsSb/AlSb / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря. // Физики и Техника Полупроводников 2008 - Том. 42 - Вып. 5 - С. 573 - 578.

24. Vurgaftman, I. Band parameters for III V compound semiconductors and theiralloys / I. Vurgaftman, J.R. Meyer, R. Ram-Mohan // Journal of Applied Physics 2001 - Vol. 89 - no. 11 - Pp. 5815 - 5875.

25. Shah, J. Ultrafast Luminescence Spectroscopy Using Sum Frequency Generation

26. J. Shah // IEEE Journal of Quantum Electronics 1988 - Vol. 24 - no. 2 -Pp. 276 -288.

27. Raind, G. Subpicosecond timescale carrier dynamics in GalnAsSb/AlGaAsSb /

28. G. Raino, A. Salhi, V. Tasco, R. Intartaglia, R. Cingolani, Y. Rouillard, E. Tournie, M. De Giorgi // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 92 - Pp. 101931 (1-3).

29. Зерова, B.JI. Электрон электронное рассеяние в ступенчатых квантовыхямах / B.JI. Зерова, JI.E. Воробьев, Г.Г. Зегря // Физика и Техника Полупроводников 2003 - Том. 38 - Вып. 6 - С. 716 - 722.

30. Chen, J. Effect of Quantum Well Compressive Strain Above 1% On Differential

31. Gain and Threshold Current Destiny in Type-1 GaSb Based Diode Lasers / J. Chen, D. Donetsky, L. Shterengas, M.V. Kisin, G. Kipshidze, G. Belenky. // IEEE Journal of Quantum Electronics - 2008 - Vol. 44 - no. 12 - Pp. 1204 -1210.

32. Shank, С. V. Spectroscopy of Nonequilibrium Electrons and Phonons. Chapter 3.

33. Non-equilibrium Phonons in Semiconductors.Ed. / C.V. Shank, B.P. Zakharchenya // North-Holland Amsterdam. London. New York. Tokyo 1992.

34. Jang, D.-J. Temperature dependence of Auger recombination in a multilayernarrow band - gap superlattice / J.D. Jang, M. Flatte, C.H. Grein, J.T. Olesberg, T.C. Hasenberg, T.F. Bogges. // Phys. Rev. В - 1998 - Vol. 58 - no. 19-Pp. 13047- 13054.

35. Воробьев, JI.E. Оже-лазер среднего ИК-диапазона на межподзонных переходах носителей заряда в квантовых ямах / JI.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, Г.Г. Зегря. // Известия Академик наук, серия физическая 2001 -Том. 65 - № 2 - С. 230 - 232.

36. Hosoda, Т. Continuous-wave room temperature operated 3.0 цт type I GaSbbased lasers with quinternary AlInGaSb barriers / T. Hosoda, G. Belenky, L. Shterengas, G. Kipshidze, M.V. Kisin // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 92-P. 091106.

37. Shterengas, L. Room temperature operated 3.1 цт type-I GaSb-based diodelasers with 80 mW continuous-wave output power / L. Shterengas, G. Belenky, G. Kipshidze, T. Hosoda // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 92 - P. 171111.

38. Воробьев, Л.Е. Кинетические и оптические явления в полупроводниках всильных электрических полях / Л.Е. Воробьев, Д.А. Паршин, В.А. Шалыгин// Ленинград.: ЛПИ- 1988 103 с.

39. Воробьев, Л.Е. Оптические свойства наноструктур. / Л.Е. Воробьев, Е.Л.

40. Ивченко, Д.А. Фирсов В.А. Шалыгин // СПб.: Наука 2000 - 188 с.

41. Leheny, R.F. Semiconductors Probed by Ultrafast Laser Spectroscopy / R.F.1.heny, J. Shah. // Academic Press, New York 1984 - P. 45.

42. Fraizzoli, S. Shallow donor impurities in GaAs-Gal-xAlxAs quantum-wellstructures: Role of the dielectric-constant mismatch / S. Fraizzoli, F. Bassani, R. Buczko // Physics Review В 1990 - Vol. 41 - Pp. 5096 - 5103.

43. Leite, R.C. Radiative Recombination from Photoexcited Hot Carriers in GaAs /

44. R. C. Leite, Jagdeep Shah // Physics Review Letters 1969 - Vol. 22 - Pp. 1304- 1307.

45. Конуэлл, Э. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях / Э. Конуэлл М.: Мир - 1970 - 384 с.

46. Stratton, R. The Influence of Interelectronic Collisions on Conduction and

47. Breakdown in Polar Crystals / R. Stratton // Proc. Royal Soc. bond. 1958 -Pp. 406 - 422.

48. Блекмор, Дж. Статистика электронов в полупроводниках, / Дж. Блекмор1. М.: МИР-1964-392 с.

49. Dupont, Е. Phase and amplitude modulation based on intersubband transitions in electron transfer double quantum wells / E. Dupont, D. Delacourt. // Applied Physics Letters 1993 - Vol. 62 - no. 16 - Pp. 1907 - 1909.

50. Berger, V. Triple quantum well electron transfer infrared modulator / V. Berger, E. Dupont, D. Delacourt // Applied Physics Letters 1993 - Vol. 61 -no. 17-Pp. 2072-2074.

51. Воробьев, Л.Е. Модуляция оптического поглощения квантовых ям GaAs/AlGaAs в поперечном электрическом поле / JI.E. Воробьев, Е.А. Зибик, Д.А. Фирсов В.А. Шалыгин, О.Н. Нащекина И Физика и Техника Полупроводников 1998 - Том. 32 - Вып.7 - С. 849 - 851.

52. Levine, B.F. Tunneling emitter undoped quantum-well infrared photodetector. /

53. B.F. Levine, K.M.S.V. Bandara, M.T. Asorn II Journal Applied Physics 1993 - Vol. 74 - No. 1 - Pp. 346 - 350.

54. Зерова, В.Л. Модуляция межподзонного поглощения света в электрическом поле в туннельно-связанных квантовых ямах / В.Л. Зерова, Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, Е. Towe // Физика и Техника Полупроводников 2007 - Том. 41 - Вып. 5 - С. 615 - 624.

55. Shah J. Semiconductors Probed by Ultrafast Laser Spectroscopy / J Shah, R.F.1.heny 11 Academic Press, New York 1984 - p. 45.

56. Шик А.Я. Физика низкоразмерных структур / А.Я.Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф.

57. Мусихин, С.А. Рыков // СПб.: Наука-2001 160 с.