Рекомбинационные процессы в однослойных массивах InAs/GaAs квантовых точек

Школьник, Алексей Сергеевич

Рекомбинационные процессы в однослойных массивах InAs/GaAs квантовых точек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Школьник, Алексей Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Рекомбинационные процессы в однослойных массивах InAs/GaAs квантовых точек»

Автореферат диссертации на тему "Рекомбинационные процессы в однослойных массивах InAs/GaAs квантовых точек"

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им .А.Ф.ИОФФЕ т РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОДНОСЛОЙНЫХ МАССИВАХ ТпАв/СаАв КВАНТОВЫХ ТОЧЕК.

(01.04.10 - физика полупроводников)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Школьник Алексей Сергеевич

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Физико-техническом институте имЛ.Ф.Иоффе РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Евтихиев В.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Воробьев Л.Е.

доктор физико-математических наук

профессор Пихтин А.Н.

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

Защита состоится " 17 " апреля 2006 г. в "/_?"" часов на заседании специализированного совета К-002.205.02 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан "/?" -¿/брръЯ- 2006 г. Ученый секретарь диссертационн

университет

кандидат физ.-мат.наук

Куликов Г.С.

ЛОР 6 А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Полупроводниковые гетероструктуры, содержащие квантоворазмерные объекты в последние годы заняли ведущее место в физике полупроводников. Интенсивные исследования полупроводниковых наногетероструктур, содержащих квантовые точки привели к открытию новых явлений, созданию принципиально новых приборов и развитию теории полупроводников. Несмотря на прогресс в изготовлении оптоэлектронных приборов, к началу диссертационной работы ряд фундаментальных характеристик структур на основе квантовых точек не был исследован. Так, не было проведено детального исследования зависимости эффективности излучательной рекомбинации от параметров массива квантовых точек и уровня возбуждения в реальных гетероструктурах. В работах, посвященных фотолюминесцентным исследованиям квантовых точек, практически отсутствовали конкретные значения эффективности излучательной рекомбинации, а характер её зависимости от температуры и уровня возбуждения не обсуждался. Знание этих характеристик важно, как для понимания происходящих в низкоразмерных гетероструктурах фундаментальных процессов, так и для реализации уникальных свойств этих гетероструктур в оптоэлектронных приборах.

Актуальность работы заключается в том, что в работе проводятся детальное исследование рекомбинационных процессов неравновесных носителей заряда в однослойных массивах ¡пАв/СаАв квантовых точек в зависимости от температуры, концентрации носителей и среднего размера квантовых точек в массиве.

Целью диссертационной работы являлось изучение рекомбинационных процессов, определяющих величину внутренней квантовой эффективности в квантовых точках. Для выполнения поставленной цели в работе предполагалось:

- изготовление методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур [пАз/АЮаАя, содержащих высококачественные массивы квантовых точек 1пАб с различным характерным размером;

- исследование характера зависимости эффективности люминесценции и времени жизни неравновесных носителей заряда от их концентрации для однослойных массивов квантовых точек 1пА5 различного размера в широком диапазоне температур.

- разработка модельных представлений о рекомбинационных процессах, определяющих величину внутренней квантовой эффективности люминесценции в квантовых точках

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1) Показано, что в гетероструктурах с изолированными квантовыми точками возможно длительное хранение заряда.

2) Проведены детальные экспериментальные исследования величины внутренней квантовой эффективности люминесценции и времен жизни свободных носителей в квантовых точках в широком диапазоне уровней инжекцин неравновесных носителей заряда.

3) Дана оценка влияния процесса безызлучательной Оже-рекомбинации на величину внутренней квантовой эффективности люминесценции в квантовых точках

4) Экспериментально определено время безызлучательной Оже-рекомбинации в квантовых точках. Исследована зависимость времени безызлучательной Оже-рекомбинации от размера квантовых точек.

Научная и практическая значимость работы состоит в проведении многопланового экспериментального и теоретического исследования рекомбинационных процессов в массивах (пАз/ваАз квантовых точек. Результаты исследования долговременной составляющей зависимости интенсивности люминесценции от времени открывают широкие возможности для разработки новой элементной базы приборов зарядовой памяти на основе наногетероструктур. В работе обнаружена сильная зависимость времени безызлучательной Оже-рекомбинации от размера квантовой точки, а также представлен теоретический расчет безызлучательного процесса Оже-рекомбинации. Результаты этих исследований показывают, что при разработке и оптимизации дизайна оптоэлектронных приборов на основе гетероструктур, содержащих

однослойные массивы ^АзЛЗаАв квантовых точек, необходимо учитывать процесс безызлучательной Оже-рекомбинации.

Представляемые к защите научные положения.

Положение 1.

При равновесном заполнении квантовых точек (при малых значениях фактора заполнения ^ и {р-, п<>)1СГ) электроны и дырки оказываются пространственно разделены. В этом случае наблюдаемые аномально большие значения времени жизни свободных носителей заряда в основном состоянии квантовых точек 1пАз/ОаАз (т>100нс) обусловлены рекомбинацией пространственно разделенных неравновесных носителей заряда.

Положение 2.

В массивах изолированных квантовых точек ¡пАв/СаАБ (квантовые точки не обмениваются друг с другом носителями), при концентрациях неравновесных носителей заряда, сопоставимых с концентрацией квантовых точек (п«Мкт), времена излучательной рекомбинации составляют единицы наносекунд, а значения внутренней квантовой эффективности люминесценции могут достигать 100%

Положение 3.

При полном заселении основного энергетического состояния неравновесными носителями заряда в 1пА$/СаА8 квантовых точках включается канал безызлучательной Оже-рекомбинации. Конкуренция процессов излучательной рекомбинации и безызлучательной Оже-рекомбинации на пороге заполнения основного состояния квантовой точки определяет величину внутренней квантовой эффективности люминесценции.

Положение 4.

Времена беспорогового и квазипорогового процессов Оже-рекомбинации в квантовых точках ¡пАв/СаАБ, а также процесса Оже-рекомбинации с участием неравновесных носителей в барьерной области зависит от радиуса квантовой точки немонотонным образом; при некотором значении радиуса квантовой точки время Оже-рекомбинации имеет ярко выраженный минимум.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 6 Молодежной конференции проводимой Санкт Петербургским Государственным Техническим Университетом (Санкт Петербург, 2000г), 10 Международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 2002г), 10 Конференции по оптике лазеров (Санкт Петербург, 2000г), РЯЕР 2001 (Великобритания 2001), 12 Международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 2004г), 13 Международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 2005г), а также на научных семинарах Физико-Технического Института им. А.Ф.Иоффе РАН и Университетов Шеффилда и Дарема (Великобритания).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит, 424 страниц машинописного текста, 53 рисунка на 33 страницах. Список цитируемой литературы содержит 4О/ наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, выбор объекта и методик исследования, обоснована актуальность исследования рекомбинационных процессов в квантовых точках, сформулирована цель диссертационной работы, изложены положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой литературный обзор работ посвященных изготовлению гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) и с массивами квантовых точек (КТ), особое внимание уделено исследованию рекомбинационных процессов, времен жизни неравновесных носителей заряда и эффективности излучательной рекомбинации в гетероструктурах с низкоразмерными объектами.

Рассмотрены основные результаты по получению массивов КТ 1пАб. Для практического применения в лазерных гетроструктурах необходимы массивы КТ с достаточно высокой плотностью и низкой дисперсией КТ по размерам [1]. В ряде работ предлагается достижение этой цели путем

изменения параметров роста. Как было показано в [2], эффективность люминесценции массива КТ 1пАз, сильно зависит от параметров роста КТ и оптимум по интенсивности достигается в узком диапазоне параметров, что затрудняет корректное сравнение эффективности излучательной рекомбинации массивов КТ с различным характерным размером.

Особое внимание уделяется обзору работ, посвященных исследованию величины внутренней квантовой эффективности люминесценции наногетероструктур. Эта характеристика является одним из ключевых параметров, определяющим свойства гетеролазеров. Так пороговая плотность тока в гетеролазерах обратно пропорциональна, а дифференциальная квантовая эффективность пропорциональна внутренней квантовой эффективности люминесценции в гетероструктурах. Достигнутые значения плотностей порогового тока для гетеролазеров с квантовыми ямами ваАз/АЮаАз говорят о возможности достижения значения эффективности излучательной рекомбинации близкой к 100% в этих гетероструктурах. Лучшие значения величины пороговой плотности тока в гетеролазерах с различными типами массивов КТ в качестве активной области пока заметно выше значений предсказанных теорией. В литературе практически отсутствуют результаты прямых исследований значения эффективности излучательной рекомбинации массивов КТ. Косвенные данные свидетельствуют о том, что лучшие значения не превышают 15%.

В ряде работ в качестве каналов безызлучательной рекомбинации, влияющих на значение эффективности излучательной рекомбинации, предполагается рекомбинация на гетерограницах и безызлучательная рекомбинация в окружающих КЯ и КТ барьерных слоях. В течение продолжительного времени некоторыми авторами предсказывалось ослабление эффективности Оже-рекомбинации (ОР) для гетероструктур пониженной размерности [3]. Наоборот, в теоретической работе [4] было показано, что в гетероструктурах процессы ОР могут быть усилены. Кроме того, и это очень важно, из-за рассеяния носителей заряда на гетерогранице снимается порог для процесса ОР. Это обусловлено тем, что при наличии интерфейса снимается ограничение, связанное с сохранением компоненты квазиимпульса, перпендикулярной плоскости гетерограницы. Одной из

главных особенностей такого механизма ОР являются более слабая зависимость от температуры - степенная зависимость скорости ОР и сильная зависимость коэффициента ОР от толщины КЯ или радиуса КТ.

Вторая глава посвящена описанию используемых методик эксперимента и описанию спектральных свойств изученных образцов. В п.2.1.1 приведено описание установки молекулярно-пучковой эпитаксии (ЦНА-13), на которой производилось выращивание всех исследованных гетепоструктур. методик роста гетероструктур с массивами КТ 1пАч. Для проведения исследований методом молекулярно-пучковой эпитаксии выращивались серии из четырех образцов с КТ 1пАз с эквивалентной толщиной слоя 1пАб 2.9 монослоя. Все четыре исследуемых образца каждой серии выращивались в едином процессе молекулярно пучковой эпитаксии. Единственное отличие заключалось в том, что один из них был выращен на точно ориентированной подложке (образец А), а остальные -на разориентированных в направлении [010] (образцы В, С и О) с углом разориентации 2, 4 и 6 градусов соответственно. Разориентация подложки приводила к увеличению поверхностной плотности квантовых точек, и, одновременно, уменьшению размера КТ, а также к сокращению расстояния между ними. Рост КТ на разориентированных поверхностях в едином эпитаксиальном процессе, позволил изготовить образцы для корректного сравнения эффективности излучательной рекомбинации массивов КТ с различным характерным размером. В п.2.1.2 представлены описания фотолюминесцентных методик, примененных для исследований спектров фотолюминесценции. П.2.1.3 посвящен описанию фотолюминесцентных методик, использованных для измерения абсолютной величины квантового выхода в гетероструктурах. В п.2.1.4 представлены описания фотолюминесцентных методик, примененных для исследований спектров фотолюминесценции с временным разрешением. В п.2.2.1 приведено описание результатов исследования спектров фотолюминесценции, позволившие сделать выводы о влиянии разориентации подложки на характеристики КТ. В п.2.2.2 представлены результаты исследования спектров фотолюминесценции и спектров фотовозбуждения, позволившие провести точную идентификацию энергетических состояний в КТ. В п.2.2.3 представлены результаты исследования спектров фотолюминесценции в

широком температурном диапазоне и при различных уровнях возбуждения, позволившие сделать вывод о изолированности КТ.

Третья глава посвящена изучению рекомбинационных процессов в КТ при равновесном заполнении КТ (при малых значениях фактора заполнения и fp; п<М„.) где п - концентрация свободных носителей, а Мкт - концентрация КТ.

В п.3.1 представлены результаты исследования зависимостей интенсивности фотолюминесценции разноразмерных массивов квантовых точек от времени при импульсном возбуждении в широком временном интервале(~200нс). Обнаружено, что во всех исследуемых образцах зависимости интенсивности

фотолюминесценции от времени имеет ярко выраженный би-экспоненциапьный характер.

Помимо быстрой составляющей с временами характерными для рекомбинационных процессов в прямозонных полупроводниках (~2-10нс), присутствует

долговременная составляющая (ДС) с характерным временем жизни составляющим десятки и сотни наносекунд. Особенностью ДС является то, что она начинает проявляться только при остаточных концентрациях неравновесных носителей заряда (ННЗ) меньших либо сравнимых с поверхностной концентрацией квантовых точек (рис. 1).

Анализ температурных зависимостей времен ДС показал, что ни один из традиционных механизмов таких как захват ННЗ на глубокие уровни, оптически неактивный экситон или заряженный экситон не являются основными процессами, обуславливающими появление медленной компоненты в зависимости интенсивности фотолюминесценции от времени в КТ при низких концентрациях инжектированных носителей. Эксперименты с различным диаметров пятна возбуждающего излучения показали, что диффузия ННЗ заряда в слабо прокаченные области также не

Рис.

О 100 150

Время, не

Зависимость интенсивности фотолюминесценции от времени для образцов А. В, С и D (0, 2, 4 и 6 градусов разориентации соответственно)

может быть основным процессом, обуславливающим появление ДС в КТ при низких концентрациях инжектированных носителей.

На рис 2. представлены температурные зависимости времени ДС для образцов А, В, С и О в диапазоне температур 77-300 К. Для образцов В, С и Э (выращенных на разориентированных подложках) при температуре 300К характерное время ДС составляет десятки

наносекунд, и при уменьшении температуры до 120К оно возрастает до сотен наносекунд. При температуре ниже 120 К наблюдается насыщение значения времени ДС. Для точно

ориентированного образца А такой зависимости не наблюдается - значение времени ДС остается постоянным на уровне 35 не во всем диапазоне температур. Значения ДС для образцов В, С и Э составляющие сотни

наносекунд были оценены с относительно большой абсолютной погрешностью из-за близости величины интенсивности фотолюминесценции к шумовому порогу обнаружения при больших значениях времен измерения. Несмотря на малую величину сигнала фотолюминесценции, оценка показывает, что доля носителей, участвующих в этих процессах составляет десятки процентов от общего количества инжектированных носителей.

Изменение характера зависимости времени ДС от температуры для образцов с различной степенью разориентации позволило сделать вывод, что процессом ответственными за появление ДС при малых остаточных концентрациях является процесс переноса пространственно разделенных

Температура, К

Рис. 2. Зависимость времени ДС от температуры для образцов А, В, С и Э (0, 2, 4 и 6 градусов разориентации соответственно)

ННЗ. При низких концентрация ННЗ в барьере релаксация электронов и дырок в квантовые точки происходит независимо в этом случае квантовые точки заполнены неравномерно и ННЗ разного знака могут быть разделены пространственно (электроны и дырки локализованы в различных квантовых точках).

Результаты детального исследования зависимости времени ДС от температуры представлены в П3.2. Перенос ННЗ осуществляется посредством двух процессов с различными характерными временами -тепловым выбросом ННЗ из квантовых точек в барьерную область и туннелированием, не зависящим от температуры. Время процесса туннелирования значительно меньше для образца выращенного на точно ориентированной подложке, поскольку для него существует общий для всех точек смачивающий слой, в то время как для образцов, выращенных на разориентированных поверхностях общего смачивающего слоя нет -смачивающий слой прерывается на границах ростовых террас. Этот факт объясняет слабую температурную зависимость ДС для образца А (точно ориентированной поверхности), где время туннелирования оказывается меньше времени теплового выброса, а также сильное увеличение времени ДС (рис. 2.) при низких температурах для образцов В, С и Э обусловленное термическим выбросом. Анализ показывает, что температурная зависимость ДС в диапазоне температур 100-250 К соответствует температурной зависимости времени термического выброса из квантовой ямы с барьерами высотой 90 мэВ (эта величина соответствует данным о высоте барьера, полученным при спектральных исследованиях образцов). Постоянство ДС при температурах меньших 100 К для разориентированных образцов объясняется включением процесса туннелирования ННЗ.

Модельные зависимости времени перераспределения ННЗ в массиве квантовых точек при учете процесса туннелирования с различными характерными временами и термического выброса для квантовой ямы с высотой барьера 90мэВ дают удовлетворительное согласие с экспериментальными данными.

В п.3.3. приводятся результаты численного моделирования процессов переноса ННЗ в массивах квантовых точек. Вероятность

существования заряженных КТ, в которых находится сразу нескольких ННЗ одного знака на S больше, чем другого - C(S,n0) аналитически можно записать в следующем виде:

C(S,n0)=exp(-2n0)*Is(2n0) (3.1)

где: C(S,n0) - вероятность нахождения в одной квантовой точке сразу нескольких ННЗ одного знака; По - среднее количество электрон-дырочных пар на одну квантовую точку; S^n^-ni,) - модуль заряда квантовой точки отнесенный к заряду электрона; Is(2no) - Функция Бесселя S порядка от мнимого аргумента.

При расчете вероятности существования многократно заряженной (S) квантовой точки для различных значений S, нами было показано, что вероятность найти один электрон или одну дырку в КТ равняется 22%, 20% и 9% для п0=1, п0=0.5, и п0=0.1 соответственно.

Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей интенсивности фотолюминесценции от времени для образца С при температурах 150К, 200К и 250К показало идентичный характер.

В Главе 4. рассмотрены результаты исследования внутренней квантовой эффективности и времен жизни ННЗ в массивах КТ при различных температурах в зависимости от плотности мощности возбуждающего излучения.

В П.4.1 приведены результаты исследования квантовой эффективности люминесценции из основного и возбужденного энергетических состояний в КТ. Продемонстрирован эффект заполнения основного энергетического состояния в КТ.

На рис. 3 представлены зависимости внутренней квантовой эффективности фотолюминесценции из основного состояния, возбужденного состояния и смачивающего слоя (r|GS и ties соответственно) при температуре измерения 5К. Кривая, соответствующая ries (1.33эВ), состоит из трех частей - нарастание (обусловленное насыщением каналов безызлучательной рекомбинации), насыщение при плотности мощности накачки »10 А/см2 и последующий спад, обусловленный заполнением основного состояния при 40 А/см2. Значение r)ES (1.38эВ) начинает расти непосредственно сразу после того, как начинает убывать r|Gs.

Характер поведения зависимости интенсивности ФЛ от времени из возбужденного состояния при малых плотностях мощности накачки (менее 40А/см2) существенно отличается от аналогичной зависимости для основного состояния. Эта кривая носит ярко выраженный би-

экспоненциальной характер с различными характерными временами - "быстрой" (210пс), соответствующей релаксации НЮ из возбужденного состояния в основное и "медленной" (700пс) - излучательной рекомбинации ННЗ в возбужденном состоянии. При увеличении плотности мощности накачки (более 40А/см2) быстрая компонента исчезает и би-экспоненциальный характер кривой меняется на моно-экспоненциальный. Этот факт объясняется тем, что число состояний в КТ ограничено и по мере увеличения плотности мощности накачки, все основные состояния КТ в массиве оказываются заняты. Происходит блокировка релаксации ННЗ из возбужденного состояния в основное.

Блокировка релаксации ННЗ из возбужденного состояния в основное и спад внутренней квантовой эффективности люминесценции из основного состояния подтверждают явление полного заполнения основного состояния в КТ и позволили оценить величину плотности тока, соответствующую заполнению основного состояния.

В п 4.2. представлены результаты исследования значения величины внутренней квантовой эффективности в массивах КТ в широком температурном диапазоне при плотности мощности возбуждающего излучения 40А/см2. Показано, что зависимость внутренней квантовой эффективности от температуры имеет одинаковый характер для всех образцов. При увеличении температуры от 5К до ~ ПОК значение

а>

2 а о

я £

-- Т=5К

133 еУ Образец С

1.38 еУ

1 10 100 1000 Плотность мощности накачки (А/см2)

Рис. 3. Зависимость внутренней квантовой эффективности из основного и возбужденного энергетических состояний для образца С

внутренней квантовой эффективности не зависело от температуры и составляло ~ 100% (термический выброс подавлен). При дальнейшем увеличении температуры до 300К наблюдался спад величины внутренней квантовой эффективности люминесценции.

П.4.3. посвящен анализу рекомбинационных процессов в КТ при температуре 5К. Показано, что кривые спада интенсивности люминесценции из основного состояния при температуре измерения Т=5К хорошо описывались экспоненциальным образом, что свидетельствует о рекомбинации через изолированные центры и позволяет сделать вывод о мономолекулярном характере люминесценции в КТ. Измеренное характерное время жизни составило 2нс.

Величина внутренней квантовой эффективности люминесценции КТ «

сохраняется практически постоянной на уровне близком к 100% в пределах погрешности измерения (см. рис.3). Параллельно были проведены исследования зависимости времени жизни ННЗ в основном энергетическом состоянии КТ от концентрации инжектированных носителей. Показано, что время жизни ННЗ не зависит от уровня инжекции. Квантовая эффективность люминесценции т} и время жизни ННЗ тж связаны соотношениями:

г^г-'+г-'

"" "" (4.1.)

77 = г'1 /(г4 + г-')

' ИР ы> ИР

Обладая набором экспериментальных данных зависимостей г|(п) и Тж(п) мы можем получить зависимости тИр(п) и тБр(п). Необходимо подчеркнуть, что поскольку ни квантовая эффективность, ни время жизни ННЗ не зависят от концентрации инжектированных ННЗ, то и времена излучательной и безызлучательной рекомбинации сохраняются постоянными во всем исследованном диапазоне. Измеренная величина *

квантового выхода люминесценции была близка к 100%. Этот факт позволяет утверждать, что при температуре Т=5К какие либо каналы безызлучательной рекомбинации в исследованных КТ отсутствуют, а измеренное время жизни т=2нс является временем излучательной рекомбинации.

П 4.4. посвящен рекомбинационным процессам в КТ при температуре 77К.

На рис. 4а и 46 представлены зависимости внутренней квантовой эффективности и времени жизни ННЗ в КТ от концентрации инжектированных носителей при температурах измерения 77К. Как было показано в п.4.2. величина внутренней квантовой эффективности люминесценции при этой температуре может достигать 100%. При малых концентрациях инжектированных носителей происходит слабый рост внутренней квантовой эффективности с увеличением плотности мощности

0 х

1 ^ &

03 2-

ш • образец А £ 100

• образец В

А образец С * * во

* ▼ образец й § |

& г во

■ . Ж 8

♦ 11

1 с 20

ю юо юоо 10000 100000 1000000

10 100 1000

Плотность мощности накачки. А/см2 Плотность мощности накачки. А/см

Рис 4. а). Зависимость времени жизни ННЗ на основном энергетическом состоянии КТ для образцов А. В. С и Э б). Зависимость внутренней квантовой эффективности из основного энергетического состояния для образца С.

накачивающего излучения (происходит насыщение канала безызлучательной рекомбинации Шокли-Рида). При концентрациях инжектированных носителей близких к концентрации необходимой для заполнения основного энергетического состояния массива КТ величина внутренней квантовой эффективности достигает практически 100%, после чего начинается спад внутренней квантовой эффективности. Этот спад имеет более резкий характер, чем наблюдаемый при температуре 4К и его уже нельзя объяснить только заполнением основного состояния в КТ.

Спад внутренней квантовой эффективности (рис. 4) сопровождается резким уменьшением времени жизни ННЗ, при уровне инжекции, обеспечивающем плотность фотовозбуждения, соответствующую заполнению основного энергетического состояния квантовых точек. При увеличении концентрации ННЗ и заполнении основного энергетического

состояния КТ происходит резкий спад значения времени жизни ННЗ. На пороге заполнения основного энергетического состояния КТ происходит включение нового канала безызлучательной рекомбинации. Дальнейшее увеличение концентрации инжектированных носителей приводит к слабому уменьшению времени жизни ННЗ.

Воспользовавшись соотношениями 4.1 получаем зависимости тИР(1Ч) и тБр(М). Излучательное время жизни остается практически постоянным, в то время как безызлучательное имеет ярко выраженный максимум в области концентраций, близких к заполнению основного состояния в КТ.

Мономолекулярный характер зависимости интенсивности люминесценции от времени (п.4.3), анализ температурных зависимостей ДС (п.3.1) и подавление термического выброса при 77К (п.4.2) позволили сделать вывод об изолированности КТ при 77К. Изменение времени жизни ННЗ в основном состоянии КТ наблюдаемое при 77К и отсутствующее при 5К позволяет сделать вывод о том, что резкий спад безызлучательного времени жизни ННЗ в КТ при заполнении основного энергетического состояния в КТ нельзя объяснить термическим выбросом и этот спад связан с включением канала безызлучательной Оже-рекомбинации.

Проведенные измерения для образцов с КТ различного размера позволили построить зависимость времени Оже-рекомбинации от размера КТ. На рис.5 представлена измеренная зависимость времени Оже-рекомбинации от размера КТ. Из рисунка видно, что зависимость времени Оже-рекомбинации от размера КТ имеет выраженный минимум. Наблюдаемая

зависимость имеет сходный характер с зависимостью, полученной в результате теоретических расчетов (п.4.5.).

В П. 4.5. Проводится теоретический анализ и расчет зависимости коэффициента безызлучательной Оже-

10 9 8 7 6

г а> о. ш

20 40

Радиус квантовой точки, А

Рис 5. Зависимость экспериментально определенного (квадраты) и расчетного времени (пунктир) Оже-рекомбинации.

рекомбинации в КТ от температуры и радиуса КТ. Для анализа процессов ОР в КТ было выбрано приближение сферических КТ. Для описания волновых функций электронов и дырок в полупроводниках АШВУ использовалась трехзонная модель Кейна. Матричный элемент ОР для перехода в непрерывный спектр, может быть представлен в виде двух слагаемых, отвечающих двум процессам ОР: беспороговому (МО и квазипороговому (М2): М = М1 + М2. Оба матричных элемента М| и М2 при малых радиусах КТ отражают беспороговый характер обоих рассмотренных процессов. Однако, механизмы, приводящие к несохранению импульса в М, и М2 различны. В М[ несохранение связано с рассеянием ННЗ на гетерограницах, в то время как для М2 причиной нарушения закона сохранения квазиимпульса является ограничение объема интегрирования по г областью КТ, что приводит к появлению функции вида 5т(кЯ)/к вместо 5(к).

В работе получено аналитическое выражение для вероятностей квазипорогового и беспорогового механизмов ОР. Рассмотренные процессы безызлучательной ОР имеют различную зависимость от радиуса квантовой точки. Проведен численный расчет зависимостей коэффициентов квазипорогового и беспорогового механизмов Оже-рекомбинации для системы 1пАз/СаАз. Расчетное суммарное время ОР от радиуса КТ имеет тот же характер, что и экспериментально обнаруженная зависимость (рис.5).

П.4.6 посвящен теоретическому анализу и экспериментальному исследованию времен процесса Оже-рекомбинации с участием ННЗ в барьерной области в зависимости от радиуса квантовой точки. Построена зависимость времени безызлучательной ОР с участием ННЗ в барьерной области (при уровнях возбуждения > 103 А/см2) от радиуса квантовой точки. Показано, что расчетная и экспериментальные зависимости времени безызлучательной ОР с участием ННЗ в барьерной области от радиуса квантовой точки качественно совпадают.

В заключении приводятся основные достижения и результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Проведенные экспериментальные исследования зависимости времени жизни пространственно разделенных ННЗ показали, что при

комнатной температуре в изолированных квантовых точках достижимы большие времена жизни ННЗ, и поэтому изолированные квантовые точки, являются перспективным объектом, для создания приборов зарядовой памяти.

2. Доля ННЗ, участвующих в процессах переноса составляет десятки процентов от общего количества инжектированных носителей.

3. Внутренняя квантовая эффективность однослойных массивов квантовых точек может достигать 100%, а излучательные времена жизни свободных носителей в однослойных массивах квантовых точек составляют единицы наносекунд.

4. Исследование зависимостей интенсивности люминесценции из основного состояния квантовых точек от времени показало, что при концентрациях инжектированных носителей, соответствующих заполнению основного состояния при температуре 77К происходит резкий спад времени жизни неравновесных носителей заряда в основном состоянии квантовых точек

5. Сопоставление результатов экспериментальных исследований времени жизни свободных носителей и теоретических расчетов коэффициента Оже-рекомбинации в квантовых точках показало, что процесс безызлучательной Оже-рекомбинации зависит от радиуса КТ, а эффективность процесса безызлучательной Оже-рекомбинации растет с увеличением температуры.

6. Анализ экспериментальной зависимости времени Оже-рекомбинации от радиуса квантовой точки показал, что при определенных значениях радиуса квантовой точки время безызлучательной Оже-рекомбинации сравнимо со временем излучательной рекомбинации в квантовых точках. Минимальное значение времени безызлучательной Оже-рекомбинации, которое достигается при значении радиуса КТ ~ 25А, составляет 2-10'9с.

важность с точки зрения применения КТ в приборных структурах. Так, слабые вариации характерного размера ансамбля КТ могут оказывать влияние на эффективность канала безызлучательной рекомбинации связанного с процессом Оже-рекомбинации.

8. Сравнение теоретической и экспериментальной зависимостей времени безызлучательной Оже-рекомбинации в InAs/GaAs квантовых точках и безызлучательной Оже-рекомбинации в квантовых точках с участием свободных носителей в барьерной области позволяет оценить оптимальный размер квантовых точек для создания полупроводниковых лазеров на их основе. При радиусе InAs/GaAs квантовой точки более 50А каналы безызлучательной Оже-рекомбинации оказываются подавлены и не дают существенного вклада в значение внутренней квантовой эффективности массивов квантовых точек.

Основные результаты диссертационной работы изложены в публикациях:

1) A.S.Shkol'nik, V.P.Evtikhiev, I.V.Kudryashov, E.Yu.Kotelnikov, E.B.Dogonkin, V. G. Talalaev, В. V. Novikov, J. W. Tomm, G. Gobsch "Photoluminescence decay time measurements of self-organized InAs/GaAs quantum dots grown on misoriented substrates.", Nanotechnology 12, pp. 512-514, (2001)

2) В.П.Евтихиев, О.В.Константинов, Е.Ю.Котельников, А.В.Матвеенцев, А.Н.Титков, А.С.Школьник "Исследование квантовых точек InAs на вицинальной поверхности кристалла GaAs методом атомно-силовой микроскопии ПЖТФ, 28, сс. 28-30, (2002)

3) L. Ya. Karachinsky, S. Pellegrini, G. S. Buller, A. S. Shkolnik, N. Yu. Gordeev, V. P. Evtikhiev, and V. B. Novikov "Time-resolved photoluminescence measurements of InAs self-assembled quantum dots grown on misorientated substrates" Appl. Phys. Lett. 84, 7 (2004)

4) A.S. Shkolnik, L.Ya. Karachinsky, N.Yu. Gordeev, G.G. Zegrya, V.P. Evtikhiev S. Pellegrini, and G.S. Buller Observation of the bi-exponential ground state decay time behaviour in InAs self-assembled quantum dots grown on misorientated substrates. Appl. Phys. Lett. 86, 211112 (2005)

5) S.Pellegrini and G.S. Buller L. Y. Karachinsky, A. S. Shkolnik, N.Y. Gordeev, G.G. Zegrya, V.P. Evtikhiev, I.R. Sellers, M.S. Skolnick, H. Y. Liu and M.Hopkinson Time-resolved photoluminescence measurements of InAs self-assembled quantum dots (Invited Paper) Proc. of SPIE Volume Ultrafast Phenomena in Semiconductors and Nanostructure Materials IX, April 2005, 5725, pp. 309-317 (2005)

6) H.J1.Баженов, К.Д.Мынбаев, В.И.Иванов-Омский, В.А.Смирнов, В.П.Евтихиев, Н.А.Пихтин, М.Г.Растегаева, А. Л.Станкевич, И.С.Тарасов, А.С.Школьник, Г.Г.Зегря. Температурная зависимость порогового тока лазеров на квантовых ямах. ФТП 39, сс. 1252-1256 (2005)

7) А.С.Школьник, В.П.Евтихиев и Г.Г.Зегря " Соотношение между квазипороговым и беспороговым процессами Оже-рекомбинации в квантовых точках InAs/GaAs." ПЖТФ, т. 32, вып. 11, (2006).

8) V.P.Evtikhiev, I.V.Kudryashov, E.Yu.Kotelnikov, V.E.Tokranov, A.S.Shkol'nik and A.N.Titkov "Photoluminescence study of single sheet InAs Quantum Dots arrays on nanopatterned GaAs (001) surfaces" "7lh International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 14-18 JUNE, 1999"

9) V.P.Evtikhiev, I.V.Kudryashov, V.E.Tokranov, E.Yu.Kotelnikov, A.V.Ankudinov, A.S.Shkol'nik and A.N.Titkov "Study of InAs Quantum Dots on nanopatterned GaAs (001) surfaces formed by misorientation to [010] direction" "LDSD'99 -international conference on low dimensional structures and devices. Antalya, Turkey"

10) V.P.Evtikhiev, V.E.Tokranov, I.V.Kudryashov, A.V.Ankudinov, A.S.Shkol'nik and A.N.Titkov "MBE grown InAs quantum dots on nanopatterned GaAs (001) surfaces formed by misorientation to [010] direction" на "26* international symposium on compound semiconductors, 22-26 August, 1999, Zeiss Planetarium, Berlin, Germany"

11) E.Yu.Kotelnikov, V.P.Evtikhiev, V.E.Tokranov, I.V.Kudryashov, M.G.Rastegaeva, A.S.Shkol'nik, A.V.Ankudinov and A.N.Titkov "The characteristics of InAs QD lasers fabricated on misoriented substrates" X conference on laser optics, St.-Petersburg, Russia, 2000.

12) E.Yu.Kotelnikov, V.P.Evtikhiev, A.S.Shkol'nik, V.E.Tokranov, I.V.Kudryashov, M.G.Rastegaeva and A.V.Ankudinov "InAs quantum dots heterostructures MBE grown on the vicinal GaAs(OOl) surfaces misoriented to the [010] direction" MRS 2000, BOSTON, USA.

13) A.S.Shkol'nik, V.P.Evtikhiev, I.V.Kudryashov, E.Yu.Kotelnikov, E.B.Dogonkin, V. G. Talalaev, B. V. Novikov, J. W. Tomm, G. Gobsch "Photoluminescence decay time measurements of the self-organized InAs/GaAs quantum dots grown on the misoriented substrates" "9th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 18-22 JUNE, 2001"

14) A. S. Shkolnik, L. Ya. Karachinsky, S.Pellegrini, G. S. Buller, N. Yu. Gordeev, B. V. Novikov, G. G. Zegrya and V. P. Evtikhiev Elementary processes determining the carrier lifetime in InAs/GaAs quantum dot arrays. \2* International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 21-25 JUNE, 2004.

15) V. M. Mikoushkin, V. V. Bryzgalov, Yu. S. Gordeev,V. P. Evtikhiev, A. S. Shkolnik, S. L. Molodtsov and D. V. Vyalich. InAs/GaAs quantum dot shape determination. 12th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 2 i -25 JUNE, 2004.

16) A.V.Savelyev, A.S.Shkolnik, S.Pellegrini, L.Ya.Karachinsky, A.I.Tartakovskii and R.P.Seisyan Carrier transfer and radiative recombination in self-organized InAs/GaAs QD array: DC current injection pump-probe experiment and solvable models. 13th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia,

t (2005).

17) A.S.Shkolnik, L.Ya.Karachinsky, N.Yu.Gordeev, G.G.Zegrya, K.A.Kupriyanov, V.P. Evtikhiev, S.Pellegrini and G.S.Buller, Lifetime of non-equilibrium charge carriers in semiconductor InAs/GaAs Quantum Dots. . 13th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, (2005).

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] L.V.Asryan, R.A.Suris, (nhomgeneous line broadening and the threshold current density of a semiconductor quantum dot laser. Semicond.Sci.Technol. 11,554(1996).

[2] L.Chu, M.Arzberger, G.Bohm, G.Abstreiter, Influence of growth conditions on the photoluminescence of self-assembled InAs/GaAs quantum dots. J.Appl.Phys. 85,2355 (1999).

[3] J.L. Pan. Phys. Rev. B, 46,3977 (1992).

[4] Г.Г. Зегря, B.A. Харченко. ЖЭТФ, 101, 327 (1992).

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 13.03.2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 371Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14

Тел./факс: 297-57-76

5578

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Школьник, Алексей Сергеевич

Введение

Глава 1. Литературный обзор

Глава 2. Методика эксперимента и описание образцов.

2.1.Методика эксперимента.

2.1.1. Методика выращивания однослойных массивов InAs/GaAs квантовых точек.

2.1.2. Методика проведения спектральных исследований.

2.1.3. Методика измерения абсолютной величины квантового выхода в гетероструктурах.

2.1.4. Методика проведения фотолюминесцентных измерений с временным разрешением

2.2. Описание образцов.

2.2.1. Исследование спектров фотолюминесценции.

2.2.2. Идентификация энергетических состояний в квантовых точках.

2.2.3. Исследование спектров фотолюминесценции в диапазоне температур от 77К до 300К при различных уровнях возбуждения.

Глава 3. Рекомбинационные процессы в квантовых точках при малой степени заселенности квантовых точек

3.1. Времена жизни неравновесных носителей заряда в квантовых точках при малой степени заселенности квантовых точек.

3.2. Процессы переноса носителей в массивах квантовых точек.

3.3. Моделирование процессов переноса носителей в массивах квантовых точек.

Глава 4. Рекомбинационные процессы в квантовых точках при высоких уровнях инжекции носителей.

4.1 Эффект заполнения основного энергетического состояния в квантовых точках

4.2. Исследование значения величины внутренней квантовой эффективности в массивах квантовых точек в широком температурном диапазоне.

4.3. Рекомбинационные процессы в квантовых точках при температуре 5К.

4.4. Рекомбинационные процессы в квантовых точках при температуре 77К.

4.5. Расчет зависимости коэффициента безызлучателъной Оже-рекомбинации в квантовых точках от температуры и радиуса квантовой точки.

4.6. Влияние неравновесных носителей заряда в барьерной области на рекомбинационные процессы в квантовых точках

Введение диссертация по физике, на тему "Рекомбинационные процессы в однослойных массивах InAs/GaAs квантовых точек"

Полупроводниковые гетероструктуры, содержащие квантоворазмерные объекты в последние годы заняли ведущее место в физике полупроводников. Интенсивные исследования полупроводниковых наногетероструктур, содержащих квантовые точки привели к открытию новых явлений, созданию принципиально новых приборов и развитию теории полупроводников. Несмотря на прогресс в изготовлении оптоэлектронных приборов, к началу диссертационной работы ряд фундаментальных характеристик структур на основе квантовых точек не был исследован. Так, не было проведено детального исследования зависимости эффективности излучательной рекомбинации от параметров массива квантовых точек и уровня возбуждения в реальных гетероструктурах. В работах, посвященных фотолюминесцентным исследованиям квантовых точек, практически отсутствовали конкретные значения эффективности излучательной рекомбинации, а характер её зависимости от температуры и уровня возбуждения не обсуждался. Знание этих характеристик важно, как для понимания происходящих в низкоразмерных гетероструктурах фундаментальных процессов, так и для реализации уникальных свойств этих гетероструктур в оптоэлектронных приборах.

Актуальность работы заключается в том, что в работе проводятся детальное исследование рекомбинационных процессов неравновесных носителей заряда в однослойных массивах InAs/GaAs квантовых точек в зависимости от температуры, концентрации носителей и среднего размера квантовых точек в массиве.

Целью данной работы являлось - изучение рекомбинационных процессов, определяющих величину внутренней квантовой эффективности в квантовых точках.

Основные задачи: Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие задачи: изготовление методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур InAs/AlGaAs, содержащих высококачественные массивы квантовых точек InAs с различным характерным размером; исследование характера зависимости эффективности люминесценции и времени жизни неравновесных носителей заряда от их концентрации для однослойных массивов квантовых точек InAs различного размера в широком диапазоне температур, разработка модельных представлений о рекомбинационных процессах, определяющих величину внутренней квантовой эффективности люминесценции в квантовых точках

Объектами исследования являлись гетероструктуры InAs/AlGaAs, содержащие массивы квантовых точек InAs.

Выбор квантовых точек на основе гетеросистемы InAs/GaAs был обусловлен как их практической значимостью, так и тем, что технология получения высококачественных эпитаксиальных гетероструктур хорошо разработана для данной системы.

Методом исследования эффективности излучательной рекомбинации был выбран метод фотолюминесценции с непрерывным возбуждением. Исследовалась неполяризованная фотолюминесценция, обусловленная рекомбинацией оптически возбужденных неравновесных носителей. Данная методика позволяет не только измерить значение эффективности излучательной рекомбинации, но и оценить качество исследуемых объектов, выявить причины зависимости эффективности излучательной рекомбинации от концентрации неравновесных носителей. Для исследования временных характеристик использовался метод фотолюминесценции с временным разрешением. Параллельное измерение величины внутреннего квантового выхода и времен жизни неравновесных носителей заряда в гетероструктурах на основе квантовых точек при различных температурах и уровнях фотовозбуждения позволяет разделить рекомбинационные процессы, определяющие величину внутренней квантовой эффективности.

Представляемые к защите научные положения.

Положение 1.

При равновесном заполнении квантовых точек (при малых значениях фактора заполнения fn и fp; п<Кет) электроны и дырки оказываются пространственно разделены. В этом случае аномально большие значения времени жизни неравновесных носителей заряда в основном состоянии квантовых точек InAs/GaAs (т> 100нс) обусловлены рекомбинацией пространственно разделенных неравновесных носителей заряда.

Положение 2.

В массивах изолированных квантовых точек InAs/GaAs (квантовые точки не обмениваются друг с другом носителями), при концентрациях неравновесных носителей заряда, сопоставимых с концентрацией квантовых точек (n^N^), времена излучательной рекомбинации составляют единицы наносекунд, а значения внутренней квантовой эффективности люминесценции могут достигать 100%

Положение 3.

При полном заселении основного энергетического состояния неравновесными носителями заряда в InAs/GaAs квантовых точках включается канал безызлучательной Оже-рекомбинации. Конкуренция процессов излучательной рекомбинации и безызлучательной Оже-рекомбинации на пороге заполнения основного состояния квантовой точки определяет величину внутренней квантовой эффективности люминесценции.

Положение 4.

Времена беспорогового и квазипорогового процессов Оже-рекомбинации в квантовых точках InAs/GaAs, а также процесса Оже-рекомбинации с участием неравновесных носителей в барьерной области зависит от радиуса квантовой точки немонотонным образом; при некотором значении радиуса квантовой точки R время Оже-рекомбинации т имеет ярко выраженный минимум.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Основные результаты диссертационной работы изложены в публикациях:

1) A.S.ShkoFnik, V.P.Evtikhiev, I.V.Kudryashov, E.Yu.Kotelnikov, E.B.Dogonkin, V. G. Talalaev, В. V. Novikov, J. W. Tomm, G. Gobsch "Photoluminescence decay time measurements of self-organized InAs/GaAs quantum dots grown on misoriented substrates.", Nanotechnology 12, pp. 512-514, (2001)

6) Н.Л.Баженов, К.Д.Мынбаев, В.И.Иванов-Омский, В.А.Смирнов, В.П.Евтихиев, Н.А.Пихтин, М.Г.Растегаева, А.Л.Станкевич, И.С.Тарасов, А.С.Школьник, Г.Г.Зегря. Температурная зависимость порогового тока лазеров на квантовых ямах. ФТП 39, сс. 1252-1256 (2005)

7) А.С.Школьник, В.П.Евтихиев и Г.Г.Зегря "Соотношение между квазипороговым и беспороговым процессами Оже-рекомбинации в квантовых точках InAs/GaAs." ПЖТФ, т. 32, вып. 11, (2006).

8) V.P.Evtikhiev, I.V.Kudryashov, E.Yu.Kotelnikov, V.E.Tokranov, A.S.Shkol'nik and A.N.Titkov "Photoluminescence study of single sheet InAs Quantum Dots arrays on nanopatterned GaAs (001) surfaces" "7th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 14-18 JUNE, 1999"

10) V.P.Evtikhiev, V.E.Tokranov, I.V.Kudryashov, A.V.Ankudinov, A.S.Shkol'nik and A.N.Titkov "MBE grown InAs quantum dots on nanopatterned GaAs (001) surfaces formed by misorientation to [010] direction" на "26th international symposium on compound semiconductors, 22-26 August, 1999, Zeiss Planetarium, Berlin, Germany"

13) A.S.Shkol'nik, V.P.Evtikhiev, I.V.Kudryashov, E.Yu.Kotelnikov, E.B.Dogonkin, V. G. Talalaev, В. V. Novikov, J. W. Tomm, G. Gobsch "Photoluminescence decay time measurements of the self-organized InAs/GaAs quantum dots grown on the misoriented substrates" "9th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 18-22 JUNE, 2001"

14) A. S. Shkolnik, L. Ya. Karachinsky, S. Pellegrini, G. S. Buller, N. Yu. Gordeev, В. V. Novikov, G. G. Zegrya and V. P. Evtikhiev Elementary processes determining the carrier lifetime in InAs/GaAs quantum dot arrays. 12th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 21-25 JUNE, 2004.

15) V. M. Mikoushkin, V. V. Biyzgalov, Yu. S. Gordeev,V. P. Evtikhiev, A. S. Shkolnik, S. L. Molodtsov and D. V. Vyalich. InAs/GaAs quantum dot shape determination. 12th International symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology. St.-Petersburg, Russia, 21-25 JUNE, 2004.

Заключение.

В ходе выполнения данной диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Проведенные экспериментальные исследования зависимости времени жизни пространственно разделенных ННЗ показали, что при комнатной температуре в изолированных квантовых точках достижимы большие времена жизни ННЗ, и поэтому изолированные квантовые точки, являются перспективным объектом, для создания приборов зарядовой памяти.

3. Внутренняя квантовая эффективность однослойных массивов квантовых точек может достигать 100%, а излучательные времена жизни неравновесных носителей заряда в однослойных массивах квантовых точек составляют единицы наносекунд.

5. Сопоставление результатов экспериментальных исследований времени жизни неравновесных носителей заряда и теоретических расчетов коэффициента Оже-рекомбинации в квантовых точках показало, что процесс безызлучательной Оже-рекомбинации зависит от радиуса КТ, а эффективность процесса безызлучательной Оже-рекомбинации растет с увеличением температуры.

7. Показано, что канал безызлучательной Оже-рекомбинации может значительно снижать величину внутренней квантовой эффективности люминесценции, являющуюся определяющим параметром для таких приборных характеристик как величина порогового тока и дифференциальная эффективность. Полученный результат имеет большую важность с точки зрения применения КТ в приборных структурах. Так, слабые вариации характерного размера ансамбля КТ могут оказывать влияние на эффективность канала безызлучательной рекомбинации связанного с процессом Оже-рекомбинации.

8. Сравнение теоретической и экспериментальной зависимостей времени безызлучательной Оже-рекомбинации в InAs/GaAs квантовых точках и безызлучательной Оже-рекомбинации в квантовых точках с участием неравновесных носителей заряда в барьерной области позволяет оценить оптимальный размер квантовых точек для создания полупроводниковых лазеров на их основе. При радиусе InAs/GaAs квантовой точки более 50А каналы безызлучательной Оже-рекомбинации оказываются подавлены и не дают существенного вклада в значение внутренней квантовой эффективности массивов квантовых точек.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Школьник, Алексей Сергеевич, Санкт-Петербург

1. Goldstein L., Glas F., Marzin J.Y., Charasse M.N., Roux G.Le. "Growth by molecular beam epitaxy and characterisation of InAs/GaAs strained-layer superlattices", Appl.Phys.Lett., 47, 1099(1985).

2. I. L. Aleiner and R. A. Suris, "Morphological stability of a vicinal surface in molecular epitaxy", Sov. Phys. Solid State 34, 809 (1992)

3. U.Woggon "Optical properties of semiconductor quantum dots" Springer, (1996)

4. Sotomayor Torres C.M., Wang F.D., Ledentsov N.N., Y.-S.Tang. Proc SPIE The International Society for Optical Engineering (1994) v.2141, p.2.

5. In: Optical properties of Low Dimensional Semiconductors, ed. By G.Abstreiter, A.Aydinli, J.-P. Leburton, NATO ASI Series. Series E: Applied Sciences (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. 1997), v.344,

6. Екимов А.И., Онущенко A.A., "Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников", Письма в ЖЭТФ, 34, 363 (1981).

7. S. Watanabe, Е. Pelucchi, В. Dwir, М. Н. Baier, К. Leifer, and Е. Кароп Dense uniform arrays of site-controlled quantum dots grown in inverted pyramids Appl.Phys.Lett. 84, 2907 (2004).

8. Stranski I.N., L.Von Krastanov. Akad. Wiss. Lit. Mainz Abh. Math. Maturwiss. Kl. Lib., 146, 797 (1939).

9. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов, (М., Наука, 1974).

10. Alferov, Zh.I, and Kazarinov, R.F. Semiconductor laser with electrical pumping, U.S.S.R. Patent 181737. (1963)

11. Kroemer, H. A. proposed class of heterojunction lasers, Proc.IEEE 51, 1782-1783 (1963).

12. Woodall J.M., Rupprecht H., and Pettit G.D. Solid state device conference, June 19, 1967, Santa Barbara, California. (1967).

13. Alferov Zh., Andreev V.M., Garbuzov D.Z., Zhilyaev Yu.V., Morozov E.P., Portnoi E.L., and Trofim V.G. Sov.Phys.Semicond. 4, 1573. (1971).

14. Hayashi I., Panish M.B., Foy P.W.; and Sumski S. Junction lasers wich operate continuously at room temperature, Appl.Phys.Lett. 17, 109. (1970).

15. Larsen P.K., Neave J.H., Joyce B.A., "Angle-resolved photoemission from As-stable GaAs (001) surfaces prepared by MBE", J.Phys. C., v. 14, p.167 (1981).

16. Olsen G.H., Nuese C.J., Ettenbery M. Low threshold l,25mkm Vapor-grown InGaAsP lasers. Appl.Phys.Lett., v.34, p.262-264, (1979).

17. Thompson G.H.B., Kirby P.A. (GaAl)As lasers with a heterostructurefor optical confinement and additional heterojunctions for extreme carrier confinement. IEEE J.Quantum Electron., QE-9, N2, p.311, (1973).

18. J.P. van der Ziel, R. Dingle, R.C. Miller, Wiegman, W.A. Nordland, "Laser oscillation from quantum states in very thin GaAs-Al0.2Ga0.sAs multilayer structures", Appl.Phys.Lett, 26, 463(1975).

19. Arakawa Y., Sakaki H. "Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current", Appl.Phys.Lett., 40, 939 (1982).

20. Asada M., Miayamoto M., Suematsu Y. "Gain and threshold of three-dimensional quantum-box lasers", IEEE J.Quant.Electron., QE-22, 1915 (1986).

21. Asryan L.V., Suris R.A., Inhomgeneous line broadening and the threshold current density of a semiconductor quantum dot laser. Semicond.Sci.Technol. 11, 554 (1996).

22. Solomon G.S., Trezza J.A., Harris J.S., Effects of monolayer coverage, flux ratio, and growth rate on the island density of InAs islands on GaAs. Appl.Phys.Lett. 66, 3161 (1995).

23. Leon R., Lobo C., Clark A., Bozek R., Wysmolek A., Kuriewski A., Kaminska M., Different paths to tunability in III-V quantum dots. J.Appl.Phys. 84, 248(1998).

24. Chu L., Arzberger M., Bohm G., Abstreiter G., Influence of growth conditions on the photoluminescence of self-assembled InAs/GaAs quantum dots. J.Appl.Phys. 85, 2355 (1999).

25. Leonard D., Krishnamurthy M., Reaves C.M., Denbaars S.P., Petroff P.M. "Direct formation of quantum-sized dots from uniform coherent islands of InGaAs on GaAs surfaces", Appl.Phys.Lett. 63, 3203 (1993).

26. I.V. Kudryashov* V.P. Evtikhiev, V.E. Tokranov, E.Yu. Kotel'nikov, A.K. Kryganovskii and A.N. Titkov "Effect of GaAs(OOl) surface misorientation on the emission from MBE grown InAs quantum dots" Cryst. Growth 201/202, 1158(1999).

27. Hirayma H, Matsunaga K, Asada M and Suematsu Y, "basing action of Ga0.67In0.33As/GaInAsP/InP tensile-strained quantum-box laser", Electron.Lett. 30, 142 (1994).

28. Mukai K., Nakata Y., Shoji H., Sugawara M., Otsubo K., Yokoyma N., Ishikawa H., Electron.Lett. 34, 1588 (1998).

29. Park G., Shchekin O.B., Csutak S., Huffaker D.L., Deppe D.G., "Room-temperature continuous operation of a single-layered 1.3 mkm quantum dot laser", Appl.Phys.Lett. 75, 3267 (1999).

30. Schafer F., Reithmaier J.P., Forchel A., High-performance GalnAs/GaAs quantum-dot lasers based on a single active layer. Appl.Phys.Lett. 74, 2915 (1999).

31. Y. Arakawa, Н. Sakaki. Appl. Phys. Lett., 40, 939 (1982); M.Asada, M. Miyamoto, Y. Suematsu. IEEE J. Quant. Electron., QE-22, 1915 (1986).

32. Krahl M., Bimberg D., Bauer R.K., Mars D.E., and Miller J.N., "Enchancement of nonradiative interface recombination in GaAs coupled quantum wells", J.Appl.Phys.Lett. 67, 434 (1990).

33. Blood P., Colak S., and Kucharska I., "Influence of broadening and high-injection effect on GaAs-AlGaAs quantum well lasers", IEEE J.Quantum Electron. QE-24, 1593 (1988).

34. Blood P., Fletcher E.D., Woodbridge K., Heasman K.C., and Adams A.R., "Influence of the barriers on the temperature dependence of threshold current in GaAs/AlGaAs quantum well lasers", IEEE J.Quantum Electron. QE-25, 1459(1989).

35. Nelson R.J., and Sobers K.G., "Minority-carrier lifetimes and internal quantum efficiency of surface free GaAs", J.Appl.Phys. 49, 6103 (1978).

36. Г.Г. Зегря, А.С. Полковников. ЖЭТФ, 113, 1491 (1998).

37. Huffaker D. L. and Deppe D. G., "Electroluminescence efficiency of 1.3 fim wavelength InGaAs/GaAs quantum dots", Appl.Phys.Lett. 73, 520 (1998).

38. S. Ghosh, P. Bhattacharya, Е. Stoner, J. Singh, Н. Jiang, S. Nuttinck, J. Laskar. Appl. Phys. Lett., 79, 722 (2001).

39. D.I.Chepic, Al. L. Efros, A.I.Ekimov et.al. J.Luminescence, 47, 113, (1990)

40. Al. L. Efros and M. Rosen, Phys. Rev. Lett., 78, 1110 (1997).

41. Гельмонт Б.Л., "Трех-зонная модель Кейна и Оже рекомбинация", ЖЭТФ 48, 268 (1978).

42. Haug A., "Auger recombination in InGaAsP", Appl.Phys.Lett. 42, 512 (1983).

43. Takeshima M., "Green's-function formalism of band-to band Auger recombination in semiconductors. Correlation effect.", Phys.Rev. В 26, 917 (1982).

44. Agrawal G.P.and Dutta N.K., Long-Wavelength Semiconductor Lasers (Van Nostrand Reinhold, New York, 1983).

45. J.L. Pan. Phys. Rev. B, 46, 3977 (1992).

46. Г.Г. Зегря, B.A. Харченко. ЖЭТФ, 101, 327 (1992).

47. A.S. Polkovnikov, G.G. Zegrya. Phys. Rev. B, 58, 4039 (1998).

48. M.I. Dyakonov, V.Yu. Kachorovskii. Phys. Rev. B, 49, 17 130

49. S. A. Maksimenko, G. Ya. Slepyan, N. N. Ledentsov, V. P. Kalosha, A. Hoffmann and D. Bimberg, Light confinement in quantum dots, 8th Int.Symp. Nanostructures: Physics and Technology, p.219 (2000)

50. L. V. Asryan, M. Grundmann, N. N. Ledentsov, O. Stier, R. A. Suris, and D. Bimberg, J. Appl. Phys. 90, 1666 (2001).

51. Moison J.M., Houzay F., Barthe F., Leprince L., Andre E., Vatel O. "Self-organized growth of regular nanometer-scale InAs dots on GaAs", Appl.Phys.Lett. 64, 196 (1994).

52. V. P. Evtikhiev, A. K. Kryganovskii, A. B. Komissarov et.al. Inst. Phys. Conf.Ser. 155,351 (1996)

53. D. V. O'Connor and D. Phillips, Time-Correlated Single Photon Counting (Academic, London, 1984).

54. J. M. Smith, P. A. Hiskett, I. Gontijo, L. Purves, and G. S. Buller, Rev. Sci. Instrum. 72, 2325 (2001).

55. Zh. I. Alferov, A. B. Zhuravlev, E. L. Portnoi, andN. M. Stel'makh, Sov. Tech. Phys. Lett. 12, 452 (1996).

56. L. Landin, M.-E. Pistol, C. Pryor, M. Persson, L. Samuelson, and M. Miller Phys. Rev. В 60, 16640 (1999).

57. P. D. Buckle, P. Dawson, S. A. Hall, X. Chen, M. J. Steer, D. J. Mowbray, M. S. Skolnik, M. Hopkinson. J. Appl. Phys., 86, 2555 (1999).

58. R. Heitz, М. Veit, N. N. Ledentsov, A. Hoffmann, D. Bimberg, V. M. Ustinov, P. S. Kop'ev, and Zh. I. Alferov, Phys. Rev. В 56, 10 435 (1997).

59. D. Z. Garbuzov, V. P. Evtikhiev, N. I. Katsavets et al. J. Appl. Phys. 75, 4152(1994).

60. A.Javier, D.Magana, T.Jennings and G.F.Strose "Nanosecond exciton recombination dynamics in colloidal CdSe quantum dots under ambient conditions" Appl.Phys.Lett. 83, 1483 (2003)

61. M.Niirmal, D.J.Norris, M.Kuno, M.G.Bawedi, Al.L.Efros and M.Rosen. "Observation of the "Dark Exciton" in CdSe Quantum Dots", Phys. Rev. Lett. 75,3728,(1995)

62. M.Niirmal, C.B.Murray and M.G.Bawedi ", Phys. Rev. B. 50, 2293, (1994)

63. M.G.Bawedi, P.J.Carroll, W.L.Wilson and L.E.Brus, J.Chem. Phys. 96, 946(1992)

64. E. B. Dogonkine, V. N. Golovatch, A. S. Polkovnikov, A. V. Pozdnyakov, and G. G. Zegrya, Proceedings of the 8th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, 2000, p.399.

65. S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices 2nd ed. (Wiley, New York, 1981)

66. S. Sanguinetti, M. Henini, M. Grassi Alessi, M. Capizzi, P. Frigeri and S. Franchi "Carrier thermal escape and retrapping in self-assembled quantum dots" Phys.Rev.B 60, 8276 (1999)

67. R.Heitz, M.Grundman, N.N.Ledentsov et.al. Phys.Rev.B 56, 10435 (1997)

68. H.Yu.Lucett, C.Roberts and R.Murray, Appl.Phys.Lett. 69, 4087 (1996)

69. T. F. Boggess, L. Zhang, D. G. Deppe, D. L. Huffaker, and C. Cao, Appl. Phys. Lett. 78,276 (2001).

70. E. Segawara, Phys. Rev. В 51, 10743 (1995).

71. В.Н. Абакумов, В.И. Перель, И.Н. Ясиевич. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках (СПб., Изд-во ПИЯФ РАН, 1997).

72. Quantum Well Lasers, ed. by P.S. Zory, Jr. (Academic Press, Inc., 1993).

73. A.R. Beattie, P.T. Landsberg. Proc. Roy. Soc., A249, 16 (1959).

74. Б.Л. Гельмонт. ЖЭТФ, 75, 536 (1978).

75. Б.Л. Гельмонт, З.Н. Соколова. ФТП, 16, 1670 (1982);

76. Б.Л. Гельмонт, З.Н. Соколова, И.Н. Яссиевич. ФТП, 18, 1803 (1984); Б.Л. Гельмонт, З.Н. Соколова, В.Б. Халфин. ФТТ, 29, 2351 (1987).

77. A. Haug. J. Phys. С: Sol. St. Phys., 16, 4159 (1983).

78. M. Takeshima. Phys. Rev. B, 28, 2039 (1983).

79. V.A.Kharchenko, M.Rosen, J.Luminescence, 70, 158, (1996)

80. Г.Г.Зегря, А.С.Полковников. Тезю докл. 2-й Росс. конф. по физике полупроводников т. 1, 95, (1996)

81. E.B.Dogonkine, V.N.Golovach, A.S.Polkovnikov et.al., 8th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology 399, (2000)

82. И.И.Новиков, Н.Ю.Гордеев, М.В.Максимов, Ю.М.Шерняков, Е.С.Семенова, А.П.Васильев, А.Е.Жуков, В.М.Устинов, Г.Г.Зегря, ФТП, 39, 507 (2005)

83. I.P. Marko, A.D. Andreev, A.R. Adams, et. al. IEEE J. Select. Topics Quant. Electron., 9, 1300 (2003).

84. E.O.Kane, J. Phys. Chem. Sol 1, 249 (1957).

85. Р.А.Сурис, ФТП, 20, 2008 (1986)

86. I.Yu.Solov'yov and G.G.Zegrya Appl.Phys.Lett. 82, 2571 (2003)

87. Ohnesorge В., Albrecht M., Oshinowo J., Forchel A., Arakawa Y., "Rapid carrier relaxation in self-assembled InxGai-xAs/GaAs quantum dots", Phys.Rev. В 54, 11532(1996).