Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами

Винниченко, Максим Яковлевич

Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Винниченко, Максим Яковлевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами»

Автореферат диссертации на тему "Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами"

На правах рукописи

ПРОЦЕССЫ РЕКОМБИНАЦИИ И РАЗОГРЕВА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В НАНОСТРУКТУРАХ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ

Специальность 01.04.10- Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 я АПР 2013

Санкт-Петербург - 2013

005052118

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Защита состоится «1 б» мая 2013 года в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 в ФГБОУ ВПО "Санкт- Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, учебный корпус 4, ауд. 305.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО "Санкт- Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель: Фирсов Дмитрий Анатольевич

доктор физико-математических наук профессор

Официальные оппоненты: Зубков Василий Иванович

доктор физико-математических наук, доцент СПбГЭТУ "ЛЭТИ", профессор

Максимов Михаил Викторович

доктор физико-математических наук

ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет'

Автореферат разослан « » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.01,

доктор технических наук, профессор

Короткое

Александр Станиславович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда во многих случаях сопутствуют физическим процессам, протекающим в различных полупроводниковых приборах, в том числе в полупроводниковых лазерах. Современные полупроводниковые лазеры - это, главным образом, лазеры на основе наноструктур с квантовыми ямами (КЯ). Их широкое использование в телекоммуникационных системах, спектроскопии, экологическом мониторинге, медицине определяет актуальность исследования процессов рекомбинации и разогрева носителей заряда в КЯ. Для оптимизации параметров полупроводниковых лазеров важно понять, какие процессы влияют на время жизни и рекомбинацию неравновесных носителей заряда. Характеристики инжекционных лазеров определяются соотношением между вероятностями излучателыюй и безызлучательной рекомбинации. Одним из видов безызлучателыюй рекомбинации, которая ухудшает характеристики лазеров, является оже-рекомбинация [1, 2]. При конструировании лазеров и оптимизации параметров лазерных структур необходимо знать механизмы релаксации и рекомбинации носителей заряда, в частности, характеристики оже-рекомбинации, которая при определенных условиях может принять резонансный характер, что приводит к заметному росту скорости безызлучательной рекомбинации [1]. Кроме этого, исследование указанных процессов интересно и с физической точки зрения: оно расширяет наши знания о физике наноматериалов, процессах взаимодействия фононной и электронной систем в условиях размерного квантования. При оптической или токовой инжекции носителей заряда в активную область лазерной наноструктуры носители заряда имеют избыточную энергию. Они попадают на нижний уровень размерного квантования либо теряя энергию благодаря рассеянию на фононах, либо отдавая ее носителям заряда на нижнем уровне при электрон-дырочном и электрон-электронном столкновениях. В последнем случае носители заряда на нижнем уровне характеризуются функцией распределения с характерной температурой, превышающей температуру решетки, т.е. носители заряда

разогреваются. Это имеет негативное последствие: характеристики лазера ухудшаются [3,4]. Экспериментальное и теоретическое исследование процессов энергетической релаксации и разогрева носителей заряда позволяет оптимизировать дизайн структур с целью уменьшения негативного влияния разогрева на характеристики мощных лазеров на квантовых ямах.

Основной целью диссертационной работы является исследование процессов рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами и выработка рекомендаций по улучшению характеристик инжекционных лазеров на средний инфракрасный диапазон спектра. В связи с этим решались следующие задачи:

1. Исследование процессов рекомбинации в наноструктурах с квантовыми ямами ТпОаАкЗЬЛпЛЮаАяЯЬ с разными ширинами квантовых ям и разными составами материалов твердых растворов барьеров. Анализ влияния данных параметров структур на скорость оже-рекомбинации и характеристики лазеров на их основе.

2. Определение времен жизни неравновесных носителей заряда по отношению к резонансной оже-рекомбинации, времен захвата в квантовые ямы и времен испускания оптических фононов в наноструктурах с квантовыми ямами МаАБЗЬЛпАЮаАзБЬ.

3. Анализ влияния разогрева носителей заряда в КЯ 1пСаА88Ь/1пА1СаА5$Ь и накопления дырок в волноводе на характеристики лазерных структур в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Исследование явления разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами ОаАя/АЮаАБ с различным типом легирования и в наноструктурах с туннелыю-связанными квантовыми ямами СаАя/АЮаАз при разных уровнях оптической накачки. Сравнение экспериментально определенных значений электронной температуры со значениями, рассчитанными из совместного решения уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния и рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных фононов.

4. Исследование разогрева носителей заряда при оптическом возбуждении в латеральных электрических полях и в отсутствии поля по спектрам фотолюминесценции наноструктур с туннельно-связанными квантовыми ямами СаАз/АЮаАв.

Основные полученные в работе результаты:

1. Из анализа динамики фотолюминесценции в пикосекундном диапазоне при оптической накачке фемтосекундными импульсами лазерного излучения определены доминирующие механизмы релаксации и рекомбинации носителей заряда в лазерных структурах с квантовыми ямами 1пОаА58Ь/1пАЮаА85Ь.

2. Впервые в структурах с КЯ 1пОаАя5Ь/1пАЮаАя8Ь экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации с участием электрона зоны проводимости и двух дырок валентной зоны с забросом одной дырки в зону, отщепленную спии-орбитальным взаимодействием.

3. Изучено влияние ширины и глубины квантовой ямы на скорости рекомбинации и релаксации носителей заряда, фотовозбужденных в области барьера и в области КЯ.

4. Проведен анализ разогрева и изменения концентрации носителей заряда в лазерных структурах с КЯ ГпСаАвЗЬЛпАЮаАзЗЬ в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Рост концентрации носителей заряда с ростом тока в режиме генерации стимулированного излучения объяснен разогревом носителей заряда и ростом внутренних потерь при поглощении света дырками в волноводе.

5. По спектрам фотолюминесценции экспериментально определена температура носителей заряда в наноструктурах с КЯ СаАя/АЮаАя, легированными донорными, акцепторными примесями и нелегированными, а также с туннельно-связанными КЯ СаАя/АЮаДя. Для данных структур рассчитана скорость потерь энергии горячими двумерными носителями заряда при рассеянии на оптических фоноиах. Проведен расчет электронной температуры при совместном решении уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом

электрон-электронного рассеяния и рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных оптических фононов в КЯ.

6. В структурах с туннелыю-связанными КЯ СаАэ/АЮаАз экспериментально обнаружена модификация спектров фотолюминесценции в продольном электрическом поле, которая объясняется рядом факторов: уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования, увеличением концентрации электронов на втором уровне и резонансным захватом электронов на примесный уровень.

Научная значимость работы. В работе детально исследована динамика фотолюминесценции в лазерных структурах с КЯ ЬЮаАьЗЬ/ГпАЮаАяЯЬ в широком диапазоне параметров КЯ. Впервые в структурах с квантовыми ямами ¡пСаАяЗЬЛпАЮаАзБЬ экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации. Экспериментально и теоретически исследован разогрев носителей заряда в КЯ ЫСаАяЗЬ/ГпАЮаАяЗЬ и ОаАв/АЮаАв при оптическом возбуждении электронно-дырочных пар. Исследовано влияние продольного электрического поля на спектры фотолюминесценции наноструктур с КЯ ОаАв/АЮаАз, связанное с перераспределением электронов между уровнями размерного квантования.

Практическая значимость работы определяется сделанными в работе рекомендациями по подавлению оже-рекомбинации с целью улучшения характеристик инжекционных лазеров на средний инфракрасный диапазон спектра (длина волны излучения 2-5 мкм), работающих при комнатной температуре в непрерывном режиме и имеющих выходную мощность, превышающую 0,1 Вт. Результаты исследования разогрева носителей заряда в структурах с КЯ могут быть использованы при конструировании источников, детекторов и модуляторов излучения среднего инфракрасного диапазона.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально обнаруженное увеличение скорости рекомбинации с ростом интенсивности оптической накачки в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb при определенном наборе параметров квантовых ям связано с проявлением резонансной оже-рекобминации.

2. В инжекционных лазерах на основе квантовых ям InGaAsSb/InAlGaAsSb при высоких уровнях оптической накачки не происходит стабилизации концентрации носителей заряда на основном уровне размерного квантования в режиме генерации стимулированного излучения вследствие разогрева носителей заряда и роста оптических потерь в волноводе с увеличением тока.

3. Экспериментально определенная температура оптически возбужденных носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs с разным типом легирования и разной геометрией квантовых ям в значительной степени определяется электрон-электронным взаимодействием, рассеянием фотовозбужденных носителей заряда на оптических фононах и эффектом накопления неравновесных оптических фононов.

4. Изменения в экспериментально наблюдаемых спектрах фотолюминесценции туннелыю-связанных квантовых ям GaAs/AlGaAs в сильном продольном электрическом поле связаны с разогревом электронов и их захватом на примесный уровень.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII, XIV - XVI Международных Симпозиумах "Нанофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород 2008, 2010 - 2012), IX, XI -XIII Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург 2007, 2009 - 2011), 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Montpellier 2009), IX, X Российских конференциях по физике полупроводников (Новосибирск - Томск 2009, Нижний Новгород 2011), 18th - 20th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St. Petersburg 2010, Ekaterinburg 2011, Nizhny Novgorod

2012), XXXVI - XL неделях науки СПбГПУ (Санкт-Петербург 2007 - 2011), 2, 3 Российских Симпозиумах "Полупроводниковые лазеры: физика и технология" (Санкт-Петербург 2010, 2012), 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (Zurich, Switzerland 2012).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 статьях и тезисах докладов, среди которых 7 статей в ведущих рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях и 12 тезисов докладов на российских и международных конференциях. Список публикаций приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора заключается в проведении экспериментальных измерений, анализе и обсуждении результатов исследований, представлении результатов на конференциях и семинарах, подготовке статей к публикации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка публикаций автора, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 187 страниц, в том числе 78 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 76 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 приводятся результаты исследований процессов рекомбинации, захвата и релаксации носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb при оптическом возбуждении неравновесных носителей заряда.

В обзоре литературы к первой главе описываются причины выбора полупроводниковых твердых растворов, содержащих сурьму, в качестве материала

для лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра. Проводится анализ влияния состава пятикомпонентного твердого раствора барьера [пЛЮзАвБЬ на механические напряжения в КЯ и локализацию носителей заряда в КЯ. Описываются различные механизмы оже-рекомбинации: с участием двух электронов и дырки; двух дырок и электрона, с забросом электронов в непрерывный спектр; с забросом дырки в зону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием. Приводятся условия наблюдения резонансной оже-рекомбинации, которая может иметь большую вероятность, и которая может существенно ухудшить характеристики инжекционных лазеров. Ставится задача исследований, описанных в главе I.

Во второй части главы I описаны исследуемые структуры и применяемая методика исследования динамики фотолюминесценции методом преобразования частоты вверх ("ир-сопуегаоп"). Использование КЯ 1по,5зОао,47А8о,248Ьо,7б/ А1о,70ао)3А8о,о5б8Ьо,944 с различной шириной КЯ позволяет наблюдать резонансную оже-рекомбинацню. Образцы с КЯ Тпо^зСао^Аво.гзвЗЬолбг/АЬ.ззСао.бзАзо.озЗЬ,,^, и 1п0,545Оа0,455А50,2555Ь0,745/1П0.25А10,20Са0,55А50.2453Ь0>755, ИМеЮЩИМИ раЗНЫЙ Материал барьера, позволяют проанализировать влияние уменьшения глубины квантовой ямы на скорость оже-рекомбинации.

В третьей части главы I приводятся результаты расчета зонной структуры исследуемых образцов в рамках модели Кейна и спектры фотолюминесценции, соответствующие основным переходам носителей заряда. Приведены экспериментально найденные зависимости интенсивности фотолюминесценции от времени с никосекундным разрешением, которые получены при разных температурах и разных интенсивностях импульсной оптической накачки. Описана оригинальная методика определения скорости рекомбинации по этим зависимостям. Экспериментально показано, что вклад резонансной оже-рекомбинацни существенен при определенных параметрах КЯ 1пСаАк8Ь/1пЛЮаАя£Ь. Из сравнения динамики фотолюминесценции в структурах с КЯ 1пСаАз8Ь/1пАЮаА88Ь с различной глубиной КЯ получено, что уменьшение глубины квантовой ямы для электронов уменьшает скорость оже-рекомбинацни. В

условиях, когда глубина КЯ для электронов меньше, чем энергия основного излучательного перехода носителей заряда е\ —* Ък\, в структуре может протекать только слабый беспороговый оже-процесс. Наличие глубокой ямы для дырок увеличивает их локализацию, повышая вероятность излучательной рекомбинации, что важно для повышения эффективности лазеров на основе данных структур. Экспериментально определены времена захвата электронов в КЯ, времена энергетической релаксации электронов в условиях оптической накачки в области барьера и в области КЯ. По этим временам определено время испускания оптического фонона.

Вторая глава посвящена результатам экспериментальных исследований процессов разогрева носителей заряда в лазерах с КЯ ТпСаАяБЬЛпАЮаАзЗЬ и в наноструктурах СаАя/АЮаАБ с туннелыю-связанными квантовыми ямами и с квантовыми ямами, имеющими разный тип легирования.

В обзоре литературы ко второй главе подчеркнуто, что при работе многих оптоэлектронных приборов (инжекционных лазеров, фотодетекторов, квантово-каскадных лазеров и др.) в области больших токов накачки и больших интенсивностей оптической инжекции проявляется разогрев носителей заряда, который отрицательно влияет на приборные характеристики. Приведены основные особенности оптических методов исследования неравновесных носителей заряда в объемных полупроводниках и квантовых ямах. Также рассмотрен вопрос влияния неравновесных оптических фононов на скорость потерь энергии носителей заряда. Ставится задача исследований, описанных в главе II.

Во второй части главы II описаны экспериментальные установки для измерения фотолюминесценции и приводятся параметры исследованных структур с КЯ 1по,55Сао,45А8о,245Ьо>7б/1по,2А1о,бОао,2А5о,245Ьо,7б! с туннельно-связанными КЯ СаА8/А10з8Са0,б2А8 и структур с КЯ СаА5/А1о,з50а0,б5А5, легированными донорной примесью, акцепторной примесью и нелегированных.

В третьей части главы II приводятся расчеты скорости рассеяния энергии двумерными электронами на оптических фононах при разогреве носителей заряда в исследуемых квантовых ямах 1пОаА$5Ь/1пАЮаА55Ь и СаАя/АЮаА$. В лазерных

структурах с КЯ [пСаАяЗЬ/ГпАЮаАяЗЬ исследовано спонтанное межзонное излучение при токовой накачке в режиме стимулированного излучения и в допороговом режиме. Обнаружен рост интенсивности спонтанного излучения с током в режиме генерации стимулированного излучения, связанный с ростом концентрации носителей заряда с током. Данное явление объясняется разогревом носителей заряда и ростом внутренних потерь на поглощении света дырками в волноводе. Влияние последнего фактора подтверждается улучшением характеристик лазера при смещении КЯ из центра волновода к сильно легированной области р-типа. Исследованы спектры фотолюминесценции структур с КЯ СаА.?/А1СаА.ч. Из совместного решения уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния, рассеяния на полярных оптических фопонах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных фононов рассчитана электронная температура как функция интенсивности оптической накачки. Экспериментальные значения электронной температуры, как функции оптической накачки, получены из анализа коротковолнового спада спектра фотолюминесценции. Хорошее совпадение экспериментальных данных и расчетов может быть получено при учете эффекта накопления неравновесных оптических фононов. Обнаружена модификация спектров фотолюминесценции в продольном электрическом поле, которая объяснена уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования с забросом их на второй уровень и захватом электронов на примесный уровень с испусканием оптического фонона с дальнейшей излучателыюй рекомбинацией электрона с примесного уровня и дырки из валентной зоны.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Исследованы зависимости интенсивности фотолюминесценции в пикосекундном и наносекундном временных диапазонах в наноструктурах с КЯ 1пОаА88Ь/1пА1СаА85Ь и 1пСтаА5ЯЬ/А1СаАя8Ь с различными барьерами и с различной шириной КЯ. Анализ временных зависимостей фотолюминесценции позволил определить времена захвата носителей заряда в КЯ, времена

энергетической релаксации, времена жизни, в том числе и по отношению к резонансной оже-рекомбинации, при различных уровнях оптического возбуждения.

2. Экспериментально обнаружено изменение скорости оже-рекомбинации в КЯ ЫОаАзЗЬЛпАЮаАзБЬ и ТпОаАзБЬ/АЮаАзЗЬ при варьировании глубины и ширины КЯ. Впервые в структурах с такими КЯ экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации с участием электрона зоны проводимости и двух дырок валентной зоны с забросом одной дырки в зону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием. Оптимизация параметров лазерных структур позволила улучшить характеристики лазеров: уменьшить пороговый ток и увеличить мощность излучения.

3. Исследованы явления разогрева и изменения концентрации носителей заряда в лазерных структурах с КЯ [пОаАзЗЬЛпАЮаАяЗЬ в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Рост концентрации носителей заряда с ростом тока в режиме генерации стимулированного излучения объяснен разогревом носителей заряда и ростом внутренних потерь на поглощение света дырками в волноводе.

4. Исследованы спектры фотолюминесценции в наноструктурах ОаАя/АЮаАз с КЯ, легированными донорными, акцепторными примесями и нелегированными, а также с туннельно-связанными квантовыми ямами. Экспериментально получена зависимость электронной температуры от интенсивности оптической накачки. Для данных структур рассчитана скорость потерь энергии горячими двумерными носителями заряда при рассеянии на оптических фононах. Расчеты проведены путем совместного решения уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния и рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных оптических фононов в КЯ.

5. Исследованы спектры фотолюминесценции в наноструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами ОаАз/АЮаАя при разогреве оптически инжектированных носителей заряда латеральным электрическим полем. Обнаруженная модификация спектров фотолюминесценции объясняется рядом

факторов: уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования, увеличением концентрации электронов на втором уровне и резонансным захватом электронов на примесный уровень.

Список цитируемой литературы:

[1] Данилов, JI.B. Теоретическое исследование процессов оже-рекомбинации в глубоких квантовых ямах / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря // Физика и техника полупроводников. — 2008. - Т. 42, № 5. - С. 566 - 572.

[2] Данилов, Л.В. Пороговые характеристики ИК -лазера на основе глубоких квантовых ям InAsSb/AlSb / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря // Физика и техника полупроводников. - 2008. - Т. 42, № 5. - С. 573 - 578.

[3] Wavelength Chirp and Dependence of Carrier Temperature on Current in MQW InGaAsP-InP Lasers / G.E. Shtengel, R.F. Kazarinov, G.L. Belenky, C.L Reynolds // IEEE Journal of. Quantum Electronics. - 1997. - Vol. 33, Issue 8. - Pp. 1396 - 1402.

[4] Hot-carrier effects in 1.3-mkm Ini_xGaxAsyPi_y light emitting diodes / J. Shah, R.F. Leheny, R.E. Nahory, H. Temkin // Applied Physics Letters. - 1981. - Vol. 39, no. 8. -Pp. 618-620.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК:

[А1] Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК-излучения горячими электронами в квантовых ямах / JI.E. Воробьев, B.JI. Зерова, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, М.Я. Винниченко, В.Ю. Паневин, П. Тхумронгсилапа, К.С. Борщев, А.Е. Жуков, З.И. Соколова, И.С. Тарасов, G. Belenky, S. Hanna, A. Seilmeier // Известия Академии наук, серия физическая. — 2009. — Т. 73. — С. 79-82.

[А2] 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.A. Vasil'eva, M.Ya. Vinnichenko, P. Thumrongsilapa, S.N. Danilov, A.E. Zhukov, A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii // Journal of Physics: Conférence Sériés. — 2009. — Vol. 193. — P. 012059.

[A3] Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами р-GaAs/AlGaAs / Д.А. Фирсов, JI.E. Воробьев, В.А. Шалыгин, А.Н. Софронов,

B.Ю. Паневин, М.Я. Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Д. Ганичев, С.Н. Данилов,

A.Е. Жуков // Известия Академии наук, серия физическая. — 2010. — Т. 74. — С. 91-94.

[A4] Разогрев носителей заряда в квантовых ямах при оптической и токовой инжекции электронно-дырочных пар / JI.E. Воробьев, М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, B.JI. Зерова, В.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, П. Тхумронгсилапа,

B.М. Устинов, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, L. Shterengas, G. Kipshidze, T. Hosoda, G. Belenky//"Наука", ФТП, —2010, —T. 44, № П. —C. 1451-1454.

[A5] Влияние оже-рекомбинации на время жизни неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / JI.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, М.Я. Винниченко, B.JI. Зерова, Г.А. Мелентьев, М.О. Машко,

L. Shterengas, G. Kipshidze, G. Belenky, T. Hosoda // Известия Российской Академии наук, серия физическая. — 2012. — Т. 76. — С. 240-242.

[А6] Динамика фотолюминесценции в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / МЛ. Винниченко, Д.А. Фирсов, JI.E. Воробьев, М.О. Машко, L. Sterengas, G. Belenky.// "Наука", ФТП. — 2012. — Т. 46, № 12. — С. 1581-1586. [А7] Рекомбинация и захват электронов в лазерных наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, М.О. Машко, JI. Штеренгас (L. Shterengas), Г. Беленький (G. Belenky), JI.E. Воробьев // "Научно-технические ведомости СПбГПУ", серии "Физико-математические науки", раздел "Физика конденсированного состояния". — 2012. — Т. 3, № 153. — С. 7-13.

Тезисы докладов:

[А8] 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, B.JI. Зерова, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, М.Я. Винниченко, В.Ю. Паневин, Т. Папхави, (П. Тхумронгсилапа), К.С. Борщев, А.Е. Жуков, З.И. Соколова, И.С. Тарасов, G. Belenky // Нанофизика и наноэлектроника. XII Международный Симпозиум, Нижний Новгород. — 2008. — С. 173-175.

[А9] 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, S.N. Danilov,

A.E. Zhukov, A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii // Abstracts of the 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures. Montpellier — 2009.

[A 10] Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками р-типа / Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин,

B.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, М.Я. Винниченко, П. Тхумронгсилапа,

C.Н. Данилов, А.Е. Жуков, А.И. Якимов, А.В. Двуреченский // Тезисы докладов IX

Российской конференции по физике полупроводников. Новосибирск - Томск — 2009. — С. 74.

[All] Concentration and temperature of hot carriers in quantum wells under electrical and optical excitation / L.E.Vorobjev, M.Ya.Vinnichenko, D.A.Firsov, V.L.Zerova, V.Yu.Panevin, A.N.Sofronov, P.Thumrongsilapa, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.P.Vasil'ev, L.Shterengas, G.Kipshidze, T.Hosoda, G.Belenky // Proceedings of the 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". St. Petersburg — 2010,—Pp. 51-52.

[A12] Разогрев и поглощение света носителями заряда в лазерных Sb-содержащих наноструктурах в режиме генерации / Л.Е. Воробьев, L. Shterengas, B.JI. Зерова, М.Я. Винниченко, G. Kipshidze, Т. Hosoda, Д.А. Фирсов, G. Belenky // 2-й Российский Симпозиум "Полупроводниковые лазеры: физика и технология". Санкт-Петербург — 2010. — С. 33.

[А 13] Исследование оже-рекомбинации в лазерных наноструктурах с Sb-содержащими квантовыми ямами / М.О. Машко, М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, Л.Е. Воробьев // XII всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Санкт-Петербург — 2010. — С. 36.

[А14] Влияние оже-рекомбинации на время жизни неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, М.Я. Винниченко, В.Л. Зерова, Г.А. Мелентьев, М.О. Машко, L. Shterengas, G. Kipshidze, G. Belenky // Нанофизика и наноэлектроника. XV международный симпозиум (Нижний Новгород, 14-18 марта 2011 г.). Институт физики микроструктур РАН. — 2011. — С. 153-154.

[А 15] Dynamics of a photoluminescence in InGaAsSb/AlGaAsSb quantum wells / L. Shterengas, D.A. Firsov, M.Ya. Vinnichenko, L.E. Vorobjev, A.N. Sofronov, G.A. Melentyev, G. Kipshidze and G. Belenky // Proceedings of the 19th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". Ekaterinburg — 2011. — Pp. 21-22.

[А16] Процессы рекомбинации носителей заряда в квантовых ямах InGaAsSb/AlGaAsSb / JI.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, М.Я. Винниченко, А.Н. Софронов, Г.А. Мелентьев, L. Shterengas, G. Kipshidze, G. Belenky // Тезисы докладов X Российской конференции по физике полупроводников. Нижний Новгород — 2011. — С. 224.

[А 17] Динамика фотолюминесценции в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb и GaAs/AlGaAs / Д.А. Фирсов, Л.Е. Воробьев, Г.А. Мелентьев, М.Я. Винниченко, М.О. Машко, Л.В. Гавриленко, Д.И. Курицын, L. Sterengas, G. Belenky // Нанофизика и наноэлектроника. Труды XVI международного симпозиума (Нижний Новгород, 12-16 марта 2012 г.). Институт физики микроструктур РАН. — 2012. — С. 208-209.

[А 18] Auger recombination and dynamics of the photoluminescence in InGaAsSb/AlGaAsSb and GaAs/AlGaAs quantum wells / M.Ya. Vinnichenko L. E. Vorobjev, D. A. Firsov, M. O. Mashko, G. A. Melentyev, L. V. Gavrilenko, D. I. Kuritsyn, L. Shterengas and G. Belenky // Proceedings of the 20th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". Nizhny Novgorod — 2012. — Pp. 90-91.

[A19] Dynamics of charge carriers recombination and capture in laser nanostructures with In- GaAsSb/AlGaAsSb quantum wells / Maxim Ya. Vinnichenko, Leonid E. Vorobjev, Dmitry A. Firsov, Marina O. Mashko, Anton. N. Sofronov, Gregory Belenky, and Leon Shterengas // Proceedings of the 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2012). Zurich, Switzerland — 2012, — Topic 38.12. — P. 243.

Подписано в печать 03.04.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10517Ь.

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

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Винниченко, Максим Яковлевич, Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

На правах рукописи

ВИННИЧЕНКО Максим Яковлевич

ПРОЦЕССЫ РЕКОМБИНАЦИИ И РАЗОГРЕВА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В НАНОСТРУКТУРАХ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ

01.04.10 - Физика полупроводников

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук профессор Д.А. Фир^ов

Санкт-Петербург -2013

Оглавление

Введение 4

Глава 1 Рекомбинация и захват носителей заряда в лазерных наноструктурах с квантовыми ямами ХпСаАэЗЬЯпАЮаАвЗЬ 13

1.1 Обзор литературы 13

1.1.1 Выбор полупроводникового материала для лазера среднего инфракрасного диапазона спектра..........................................13

1.1.2 Механизмы рекомбинации носителей заряда в квантовых ямах..............................................................................22

1.1.3 Методы уменьшения скорости оже-рекомбинации..............36

1.1.4 Постановка задачи исследований...................................41

1.2 Методика эксперимента 42

1.2.1 Образцы...................................................................42

1.2.2 Экспериментальная установка.......................................44

1.3 Процессы рекомбинации и захвата электронов 47

1.3.1 Излучательная рекомбинация носителей заряда для выделенной длины волны...................................................47

1.3.2 Расчет зонной структуры образцов с квантовыми ямами......51

1.3.3 Скорость оже-рекомбинации в структурах с разной шириной квантовых ям...................................................................67

1.3.4 Оже-рекомбинация в лазерных структурах с четырех и пятикомпонентным барьером...............................................76

1.3.5 Анализ времен захвата носителей заряда при оптической накачке в области барьера и квантовых ям................................82

1.4 Основные результаты первой главы 91 Глава 2 Разогрев носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами 92

2.1 Обзор литературы 92 2.1.1 Введение..................................................................92

2.1.2 Оптические методы исследования неравновесных носителей заряда в объемных полупроводниках и в квантовых ямах............94

2.1.3 Разогрев носителей заряда в квантовых ямах электрическим полем..............................................................................103

2.1.4 Влияние неравновесных оптических фононов на скорость рассеяния энергии при разогреве носителей заряда в квантовых ямах.............................................................................106

2.1.5 Постановка задачи исследований..................................111

2.2 Методика эксперимента 112

2.2.1 Образцы....................................................................112

2.2.2 Экспериментальные установки.................................... 119

2.3 Эффекты, связанные с разогревом носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами 125

2.3.1 Скорость рассеяния энергии при взаимодействии двумерных электронов с оптическими фононами.................................... 125

2.3.2 Разогрев и концентрация носителей заряда в лазерных структурах в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке................................................136

2.3.3 Экспериментальное определение температуры носителей заряда по спектрам фотолюминесценции...............................147

2.3.4 Фотолюминесценция туннельно-связанных квантовых ям в греющем электрическом поле.............................................159

2.4 Основные результаты второй главы 163 Заключение 164 Список сокращений и условных обозначений 166 Список публикаций автора 167 Список литературы 171 Приложение. Решение скоростных уравнений для концентрации носителей заряда 181

Введение

Актуальность темы. Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда во многих случаях сопутствуют физическим процессам, протекающим в различных полупроводниковых приборах, в том числе в полупроводниковых лазерах. Современные полупроводниковые лазеры - это, главным образом, лазеры на основе наноструктур с квантовыми ямами (КЯ). Их широкое использование в телекоммуникационных системах, спектроскопии, экологическом мониторинге, медицине определяет актуальность исследования процессов рекомбинации и разогрева носителей заряда в КЯ. Для оптимизации параметров полупроводниковых лазеров важно понять, какие процессы влияют на время жизни и рекомбинацию неравновесных носителей заряда. Характеристики инжекционных лазеров определяются соотношением между вероятностями излучательной и безызлучательной рекомбинации. Одним из видов безызлучательной рекомбинации, которая ухудшает характеристики лазеров, является оже-рекомбинация [1, 2]. При конструировании лазеров и оптимизации параметров лазерных структур необходимо знать механизмы релаксации и рекомбинации носителей заряда, в частности, характеристики оже-рекомбинации, которая при определенных условиях может принять резонансный характер, что приводит к заметному росту скорости безызлучательной рекомбинации [1]. Кроме этого, исследование указанных процессов интересно и с физической точки зрения: оно расширяет наши знания о физике наноматериалов, процессах взаимодействия фононной и электронной систем в условиях размерного квантования. При оптической или токовой инжекции носителей заряда в активную область лазерной наноструктуры носители заряда имеют избыточную энергию. Они попадают на нижний уровень размерного квантования либо теряя энергию благодаря рассеянию на фононах, либо отдавая ее носителям заряда на нижнем уровне при электрон- дырочном и электрон-электронном столкновениях. В последнем случае носители заряда на нижнем уровне характеризуются функцией распределения с характерной температурой, превышающей

температуру решетки, т.е. носители заряда разогреваются. Это имеет негативное последствие: характеристики лазера ухудшаются [3,4]. Экспериментальное и теоретическое исследование процессов энергетической релаксации и разогрева носителей заряда позволяет оптимизировать дизайн структур с целью уменьшения негативного влияния разогрева на характеристики мощных лазеров на квантовых ямах.

1. Исследование процессов рекомбинации в наноструктурах с квантовыми ямами 1пОаАз8Ь/1пАЮаА88Ь с разными ширинами квантовых ям и разными составами материалов твердых растворов барьеров. Анализ влияния данных параметров структур на скорость оже-рекомбинации и характеристики лазеров на их основе.

3. Анализ влияния разогрева носителей заряда в КЯ 1пОаА88Ь/1пАЮаАБ8Ь и накопления дырок в волноводе на характеристики лазерных структур в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Исследование явления разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами ОаАБ/АЮаАБ с различным типом легирования и в наноструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами ОаАз/АЮаАБ при разных уровнях оптической накачки. Сравнение экспериментально определенных значений электронной температуры со значениями, рассчитанными из совместного решения уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния и

рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных фононов.

Основные полученные в работе результаты:

2. Впервые в структурах с КЯ ГпСаАзБЬЯпАЮаАзЗЬ экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации с участием электрона зоны проводимости и двух дырок валентной зоны с забросом одной дырки в зону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием.

4. Проведен анализ разогрева и изменения концентрации носителей заряда в лазерных структурах с КЯ 1пОаА88Ь/1пАЮаАз8Ь в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Рост концентрации носителей заряда с ростом тока в режиме генерации стимулированного излучения объяснен разогревом носителей заряда и ростом внутренних потерь при поглощении света дырками в волноводе.

5. По спектрам фотолюминесценции экспериментально определена температура носителей заряда в наноструктурах с КЯ ОаАз/АЮаАБ, легированными донорными, акцепторными примесями и нелегированными, а также с туннельно-связанными КЯ ОаАз/АЮаАБ. Для данных структур рассчитана скорость потерь энергии горячими двумерными носителями заряда при рассеянии на оптических фононах. Проведен расчет электронной

температуры при совместном решении уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния и рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных оптических фононов в КЯ.

6. В структурах с туннельно-связанными КЯ ОаАз/АЮаАБ экспериментально обнаружена модификация спектров фотолюминесценции в продольном электрическом поле, которая объясняется рядом факторов: уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования, увеличением концентрации электронов на втором уровне и резонансным захватом электронов на примесный уровень.

Научная значимость работы. В работе детально исследована динамика фотолюминесценции в лазерных структурах с КЯ 1пОаА58Ь/1пАЮаА88Ь в широком диапазоне параметров КЯ. Впервые в структурах с квантовыми ямами 1пОаА88Ь/1пАЮаАз8Ь экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации. Экспериментально и теоретически исследован разогрев носителей заряда в КЯ ¡пОаАзБЬЛпАЮаАзЗЬ и ОаАз/АЮаАБ при оптическом возбуждении электронно-дырочных пар. Исследовано влияние продольного электрического поля на спектры фотолюминесценции наноструктур с КЯ ОаАз/АЮаАБ, связанное с перераспределением электронов между уровнями размерного квантования.

Научные положения, выносимые на защиту:

4. Изменения в экспериментально наблюдаемых спектрах фотолюминесценции туннельно-связанных квантовых ям GaAs/AlGaAs в сильном продольном электрическом поле связаны с разогревом электронов и их захватом на примесный уровень.

Nizhny Novgorod 2012), XXXVI - XL неделях науки СПбГПУ (Санкт-Петербург 2007 - 2011), 2, 3 Российских Симпозиумах "Полупроводниковые лазеры: физика и технология" (Санкт-Петербург 2010, 2012), 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (Zurich, Switzerland 2012).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В обзоре литературы к первой главе описываются причины выбора полупроводниковых твердых растворов, содержащих сурьму, в качестве материала для лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра. Проводится

анализ влияния состава пятикомпонентного твердого раствора барьера ЬхАЮаАзЭЬ на механические напряжения в КЯ и локализацию носителей заряда в КЯ. Описываются различные механизмы оже-рекомбинации: с участием двух электронов и дырки; двух дырок и электрона, с забросом электронов в непрерывный спектр; с забросом дырки в зону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием. Приводятся условия наблюдения резонансной оже-рекомбинации, которая может иметь большую вероятность, и которая может существенно ухудшить характеристики инжекционных лазеров. Ставится задача исследований, описанных в главе I.

Во второй части главы I описаны исследуемые структуры и применяемая методика исследования динамики фотолюминесценции методом преобразования частоты вверх ("ир-сопуегзюп"). Использование КЯ ^орзвао^Азо^Ьо^б/ А1о;70ао!зАзо,о5б8Ьо)944 с различной шириной КЯ позволяет наблюдать резонансную оже-рекомбинацию. Образцы с КЯ Хпо^бОао^зАзодзвЗЬо^/АЬ^Оао^Азо.озЗЬо^, и 1по!5450ао;455А8од558Ьо,745/1по,25А1о,2оОао!55А8о,2458Ьо;755, имеющими разный материал барьера, позволяют проанализировать влияние уменьшения глубины квантовой ямы на скорость оже-рекомбинации.

В третьей части главы I приводятся результаты расчета зонной структуры исследуемых образцов в рамках модели Кейна и спектры фотолюминесценции, соответствующие основным переходам носителей заряда. Приведены экспериментально найденные зависимости интенсивности фотолюминесценции от времени с пикосекундным разрешением, которые получены при разных температурах и разных интенсивностях импульсной оптической накачки. Описана оригинальная методика определения скорости рекомбинации по этим зависимостям. Экспериментально показано, что вклад резонансной оже-рекомбинации существенен при определенных параметрах КЯ ЫОаАзЗЬЯпАЮаАзБЬ. Из сравнения динамики фотолюминесценции в структурах с КЯ 1пОаА88Ь/1пАЮаАз8Ь с различной глубиной КЯ получено, что уменьшение глубины квантовой ямы для электрон