Создание и исследование спонтанных источников света для средней ИК-области спектра на основе узкозонных полупроводников А3В5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

КАЛИНИНА Карина Вадимовна

Создание и исследование спонтанных источников света для средней ИК-области спектра на основе узкозонных полупроводников А3В5

Специальность: 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 3 ДЕК 2012

Санкт-Петербург 2012

005056971

005056971

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, проф., Яковлев Юрий Павлович (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук)

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, проф., Воробьев Леонид Евгеньевич (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»)

доктор физ.-мат. наук, в.н.с. Сресели Ольга Михайловна (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук)

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им.В.И. Ульянова (Ленина)»

Защита состоится «20» декабря 2012 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д-002.205.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая улица, д.26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Автореферат разослан «20» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д-002.205.02 ,

доктор физ.-мат. наук, проф. ^ Л.М. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работы по созданию и исследованию узкозонных гетероструктур в системе Са8Ь-[пДу, перекрывающих средний инфракрасный диапазон, активно ведутся на протяжении последних десятилетий. Спектральная область 1.5-5 мкм актуальна для задач экологии и охраны окружающей среды, поскольку в этой области находятся характеристические полосы поглощения многих природных и промышленных газов (СО, СОг, СН4, НтЗ, паров воды и др.). Наличие характеристических полос поглощения открывает широкие возможности для разработки оптических методов газового анализа, контроля технологических параметров промышленной продукции, медицинской диагностики и др [1].

С точки зрения практического использования, источники спонтанного ИК излучения обладают рядом преимуществ по сравнению с лазерами и тепловыми источниками. Они миниатюрны, отличаются низким энергопотреблением, высоким быстродействием (~10-50нс), излучают в узком спектральном диапазоне и не требуют применения дополнительных фильтров [2].

Однако квантовая эффективность и оптическая мощность светодиодов на базе узкозонных гетероструктур А3В5 невысока по сравнению с источниками спонтанного излучения для видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов на основе, например, ваЛв и 1пР, в которых внутренний квантовый выход близок к 1. К настоящему времени для светодиодов на основе СаГпАзЗЬ/АЮаАзЗЬ, работающих в диапазоне 1.6-2.4 мкм, достигнуты значения средней оптической мощности 1-3 мВт в квазистационарном режиме при комнатной температуре [2]. В то же время средняя оптическая мощность светодиодов, излучающих в области 3-5 мкм, существенно ниже. Главным образом, это связано с сильным влиянием процесса безызлучательной оже-рекомбинации, скорость которой возрастает

3

при уменьшении ширины запрещенной зоны и повышении температуры [3]. Поэтому важной проблемой является поиск путей повышения квантовой эффективности и оптической мощности светодиодов на основе узкозонных полупроводников. В последние годы для увеличения квантовой эффективности солнечных фотоэлементов в структурах с квантовыми точками предлагается механизм умножения носителей за счет освещения структуры высокоэнергетичными фотонами [4]. В работе [5] была показана возможность использовать большие скачки потенциала в зоне проводимости на гетерогранице для увеличения отношения коэффициентов ионизации в лавинных фотодиодах на основе многослойных гетероструктур СаЛя/ОаА1А5 с квантовыми ямами. Однако, для светоизлучающих структур эти эффекты ранее не рассматривались.

Актуальность данной работы заключается в том, что в работе был исследован и апробирован экспериментально новый метод получения суперлинейной люминесценции и увеличения оптической мощности в светоизлучающих узкозонных гетероструктурах на основе Са5Ь с большими скачками потенциала на гетерогранице, превышающими пороговую энергию ионизации в узкозонном материале, а также в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами.

Цель работы: исследование люминесцентных свойств объемных гетероструктур I и II типа с высокими потенциальными барьерами и квантово-размерных гетероструктур с глубокими квантовыми ямами в системе твердых растворов Са8Ь-1пАз-А18Ь для спектрального диапазона 1.5-5.0 мкм и разработка новых методов увеличения квантовой эффективности и оптической мощности.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• Исследование люминесцентных характеристик узкозонных гетеросгруктур I типа на основе [пАяЛпАкЗЬЛпЛзЗЬР для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм, выращенных методом газо-фазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ);

• Исследование электролюминесценции и оптической мощности в объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа на основе п-СаБЬ с узкозонной активной областью [пОаАйБЬ и высокими потенциальными барьерами на гетерогранице, выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в зависимости от тока накачки;

• Исследование механизмов излучательной рекомбинации и ударной ионизации в объемных гетероструктурах на основе ОаЯЬ с высокими потенциальными барьерами на гетерогранице;

• Исследование электролюминесценции и оптической мощности в зависимости от тока накачки в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами А1(Аз)5Ь/1пЛ$8Ь/Л1(Ак)8Ь, выращенных методом МОГФЭ на подложках п-ваБЬ;

• Теоретические оценки параметров квантовых ям и механизма ударной ионизации электронами в структурах с глубокими квантовыми ямами А1(А8)БЬ/1пА5ВЬ/А1(А8)ВЬ и сопоставление с экспериментом;

• Применение светодиодов на основе узкозонных полупроводников А3В5 для исследования водо-нефтяных эмульсий в спектральном диапазоне 1.6.-2.4 мкм.

Научная новизна результатов, полученных в работе состоит в следующем:

• Обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция в

диапазоне энергий фотонов 0.2-0.8 эВ в диапазоне температур 77-300 К в

5

объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа с узкозонной активной областью 1пСаАз8Ь и высокими потенциальными барьерами на гетерогранице, выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ.)

• Проведены оценки пороговых энергий ионизации в объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа Ы-СаБЬ/М-АЮаАз8Ь/-п-1пСаАз8Ь, N-GaSb/n-InGaAsSb/P-AlGaAsSb с большой энергией скачка потенциала ДЕс в зоне проводимости на гетерогранице. Показано, что наблюдаемая суперлинейная зависимость интенсивности электролюминесценции и оптической мощности от тока накачки может быть объяснена вкладом в излучательную рекомбинацию дополнительных электронно-дырочных пар за счет эффекта ударной ионизации электронами, разогретыми за счет большого скачка потенциала в зоне проводимости (ДЕс) на гетерограницах М-АЮаАз8Ь/-п-1пСаАз5Ь и М-Са8Ь/п-1пСаАз8Ь.

• Впервые обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция в наногетероструктурах на основе СаБЬ с глубокой квантовой ямой А1(Аз)8Ь/1пАз8Ь/А1(Аз)8Ь при температуре 77 и 300 К в интервале энергий фотонов 0.6-0.8 эВ, выращенных методом газо-фазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ).

• Установлено, что возрастание интенсивности люминесценции и оптической мощности излучения с током накачки как в объемных гетероструктурах, так и в наногетероструктурах с квантовыми ямами происходит по степенному закону Р=А-1В, где I - ток накачки, А -подгоночный параметр. При этом показатель степени В лежит в диапазоне 1.5-2 для объемных гетероструктур и 2-3 для наногетероструктур в интервале температур 77-300 К.

• В наногетероструктурах на основе ваБЬ с глубокой квантовой ямой

А1(Ая)8Ь/ГпАз8Ь/А1(Аз)8Ь теоретически рассчитано положение

энергетических уровней в квантовой яме А1(Аз)8Ь/1пАз8Ь/А1(Аз)8Ь, пороговая

6

энергия ионизации электронов и подтверждена возможность создания дополнительных электронно-дырочных пар, участвующих в излучательной рекомбинации, за счет эффекта ударной ионизации в глубокой квантовой яме.

Практическая значимость работы:

• Разработаны и исследованы два типа конструкций светодиодов на основе двойных гетероструктур I типа ГпАяЯЬРЛпАзЛпАзЗЬР, выращенных на подложках р- и п-1пАз для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм. За счет использования широкозонных ограничительных слоев и улучшения условий отвода тепла из активной области получено значение внутреннего квантового выхода светодиодов 22.3% в импульсном режиме.

• Предложен новый оригинальный способ повышения оптический мощности и квантовой эффективности светоизлучающих структур за счет использования процесса ударной ионизации в объемных гетероструктурах на основе СаБЬ с высокими потенциальными барьерами на гетерограницах и в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами. Данный подход может быть использован для увеличения квантовой эффективности светоизлучающих структур на основе других полупроводниковых материалов, а также солнечных и термофотовольтаических элементов.

• Предложен и реализован портативный анализатор содержания воды в нефти на основе оптопары «светодиодная матрица - фотодиод».

• Предложен и реализован портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе оптопары светодиодная матрица -фотодиод, работающей в среднем ИК-диапазоне (1.6-2.4 мкм).

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В объемных гетероструктурах ТЧ-СаЗЬ/М-АЮаАзБЬ/п-ГпСаАкЗЬ и 14-Оа8Ь/п-1пСаАз8Ь/Р-А1СаА58Ь с высокими потенциальными барьерами, состоящих из двух широкозонных и одного узкозонного слоя, зависимость электролюминесценции от тока накачки носит суперлинейный характер, что

7

обусловлено созданием дополнительных электронно-дырочных пар за счет эффекта ударной ионизации горячими электронами, разогретыми на скачке потенциала в зоне проводимости на гетерогранице Ы-АЮаАзЗЬ/п-ГпОаАзБЬ в изотипной структуре и на гетерогранице 1\[-Са8Ь/п-1пСаАз8Ь в анизотипной. При этом суперлинейная электролюминесценция наблюдается для двух спектральных полос Ьу) ~ 0.3 эВ и Ьу2 ~ 0.7 эВ, соответствующих излучательной рекомбинации в узкозонной активной области и вблизи гетерограницы с Ы-СаБЬ.

2. В двумерных гетероструктурах на основе СаБЬ с глубокой и узкой квантовой ямой А1(Аз)8Ь/1пАз8Ь/А1(Аз)8Ь излучательная рекомбинация реализуется при переходах между первым уровнем электронов Ее) и дырок ЕЬ|, а ударная ионизация осуществляется электронами, разогретыми на скачке потенциала в зоне проводимости АЕс = 1.27 эВ на границе А1(Аз)5Ь/'1пАк8Ь, превышающего пороговую энергию ионизации электронами е^ = Ее) + Eg 1Пд^ь + ЕЬ| внутри квантовой ямы.

3. Зависимость оптической мощности излучения от тока накачки в объемных гетероструктурах с высокими потенциальными барьерами и в наногетероструктурах с глубокой квантовой ямой определяется общим степенным законом Р=А-1В, где А - подгоночный параметр, I - ток накачки. При этом в области температур 77-300 К показатель степени В меняется в диапазоне 1.5-2 для объемных гетероструктур и в диапазоне 2-3 для наногетероструктур. Более сильная зависимость оптической мощности от тока в квантово-размерных структурах обусловлена более эффективной локализацией носителей в глубокой квантовой яме.

4. Разработан оптический метод анализа содержания воды в водонефтяных эмульсиях в среднем ИК диапазоне с помощью оптопары, содержащей трехэлементную светодиодную матрицу и фотодиод, при этом

влияние рассеяния на границе фаз нефть-вода учитывается за счет использования дополнительного светодиода с длиной волны ~к=22 мкм.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и семинарах:

• 11th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (Chicago, USA, September 4th - 8th, 2012); 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (Zurich, Switzerland, July 29th t- August 3rd 2012); 20th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology (Nizhny Novgorod, Russia, June 24-30 2012); 13lh Intern. Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (Prague, 3-8 July 2011); 8й Белорусско-Российский семинар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» (Минск, май 2011); International Scientific and Applied Conference "Opto-Nano Electronics and Renewable Energy Sources 2010" (Varna, Sept. 2010); 10th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (Shanghai, Sept. 2010); Interdisciplinary Conference on Chemical, Mechanical and Materials Engineering (7-20 December, 2009, Melbourne, Australia); XI Всероссийская молодежная конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (30 ноября - 4 декабря 2009, С.Петербург); Второй Международный форум по нанотехнологиям (6-8 октября 2009, Москва); а также обсуждались на семинарах в лаборатории Инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе и в лаборатории MOVPE Института физики Чешской академии наук (г. Прага, Чешская Республика).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах, получено 2 патента, библиографический список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, включая 67 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемой литературы включает 114 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, отмечены научная новизна и практическая ценность, изложены представляемые к защите научные положения.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена описанию свойств и методов создания полупроводниковых материалов в системе узкозонных твердых растворов СаБЬ^пАэ, параметров светоизлучающих приборов для среднего ИК диапазона на их основе, а также способов, применяемых на данный момент для повышения квантовой эффективности и оптической мощности светодиодов.

В параграфе 1.1 представлены основные свойства бинарных соединений Са8Ь и 1пАэ, а также узкозонных многокомпонентых твердых растворов на их основе.

Как известно, твердые растворы на основе Са8Ь-1пАз могут образовывать как гетеропереходы I типа, так и ступенчатые и разъединенные переходы II типа [6]. В параграфах 1.2 и 1.3 рассматриваются особенности зонных диаграмм разных типов гетеропереходов, а также процессов излучательной и безызлучательной рекомбинации в светодиодах на их основе.

Фундаментальной особенностью гетеропереходов II типа является пространственное разделение электронов и дырок и их локализация в самосогласованных квантовых ямах на интерфейсе [7]. За счет пространственного разделения носителей может происходить туннельная

излучательная рекомбинация через гетерограницу II типа с энергией излучения меньше ширины запрещенной зоны узкозонного материала [7].

Одним из основных факторов, приводящих к снижению оптической мощности светоизлучающих структур на основе узкозонных полупроводников является безызлучательная оже-рекомбинация, скорость которой возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны [3]. Как показано в [8], в гетероструктурах, в отличие от объемных полупроводников, благодаря взаимодействию носителей с гетерограницей процесс оже-рекомбинации является беспороговым, т.к. отсутствует закон сохранения квазиимпульса для компоненты, перпендикулярной гетерогранице, и скорость оже-рекомбинации является степенной функцией температуры. При этом в гетероструктурах II типа, а также в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами по сравнению с гетероструктурами I типа возможно существенное подавление оже-рекомбинации [9].

В параграфах 1.4, 1.5 приводятся результаты работ по исследованию электролюминесцентных свойств светодиодов на основе гетероструктур СаПтАкЯЬ/АЮаАэЗЬ для диапазона 1.6-2.4 мкм, а также структур на основе ШАзЗЬЛпАзБЬР для диапазона 3-5 мкм.

В параграфе 1.6 рассмотрены основные способы, используемые для повышения квантовой эффективности и оптической мощности светодиодов на основе узкозонных материалов. В работе [10] для обеспечения эффективной двухсторонней инжекции носителей в активную область п-СЫпАяЗЬ и увеличения оптической мощности предложено использовать тиристорную гетероструктуру п-Са8Ь/р-Оа8Ь/п-Оа1пА58Ь/Р-АЮаА58Ь. В работе [11] сообщается о повышении оптической мощности светодиодов за счет использования редкоземельных элементов (УЪ) для улучшения качества активных слоев и уменьшения количества дефектов, через которые происходит безызлучательная рекомбинация.

11

Несмотря на существование различных методов повышения внутренней и внешней квантовой эффективности гетероструктур на основе узкозонных твердых растворов в системе СаЯЬ-ТпАз, дальнейший поиск новых подходов к увеличению оптической мощности и эффективности светоизлучающих приборов является актуальной задачей.

Вторая глава является методической и содержит описание методики определения характеристик светодиодов, а также основных особенностей технологии роста объемных гетероструктур методами МОГФЭ, ЖФЭ и постростовой обработки светодиодных структур. Приведено описание установок для исследования вольтамперных и люминесцентных характеристик светодиодных гетероструктур.

Третья глава посвящена созданию и исследованию спонтанных источников излучения для среднего ИК диапазона (1.5 - 5 мкм) на основе объемных гетероструктур ¡пАяЯЬЛпАзЗЬР и ^СаАйЗЬ/АЮаАяЗЬ.

В параграфе 3.1 приводятся результаты исследования люминесцентных свойств двух типов конструкций длинноволновых светодиодов для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм, выращенных методом МОГФЭ, на основе двойных гетероструктур п-ГпА5/п-1пАк/р-1пАя/Р-1пА85ЬР с выводом излучения через сильнолегированную подложку п-ГпАя и гетероструктур р-¡пАз/РЛпАзЗЬР/п-ТпАь/МЛпЛйБЬР, в которых излучение выводилось через широкозонный слой К-1пАз8Ь [А1,А2]. Показано, что конструкция светодиода на основе гетероструктуры п-ТпАз/пЛпАб/р-ТпАз/РЛпАбБЬР с выводом излучения через подложку п-ГпАв обеспечивает более эффективный теплоотвод и, как следствие, более высокую стабильность спектральных характеристик при увеличении тока инжекции, а также более высокую квантовую эффективность излучательной рекомбинации. Установлено, что внутренний квантовый выход светоизлучающих структур в диапазоне 3.3—3.4 мкм достигал величины 22.3% в импульсном режиме.

12

В параграфе 3.2 представлены результаты исследования суперлинейной электролюминесценции в объемных гетероструктурах Ы-ОаЗЬ/ТЧ-АЮаАяЯЬ/п-1п0.9340ао.оббА88Ь и К-Са8Ь/п-1п0.95бОа0.044Аз8Ь/Р-АЮаА58Ь с высокими потенциальными барьерами на гетерогранице, выращенных методом ЖФЭ [АЗ,А4,А5,А6]. На рис. 1 представлено схематическое изображение исследуемых структур и их зонные энергетические диаграммы. Как видно из рис.1, скачки потенциала в зоне проводимости велики по сравнению с шириной запрещенной зоны активной области п-ЬЮаАзБЬ (Е§=0.28 эВ) и составляют в изотипной структуре ДЕси1.14 эВ (рис.1 а), в анизотипной ДЕс«0.79 эВ (рис.1 б), скачки в валентной зоне в изотипной гетероструктуре равны АЕу=0.14 эВ (рис.1 а), в анизотипной ДЕуяг0.35 эВ (рис.1 б).

Рис.1. Схематическое изображение гетер о структур и их зонные энергетические диаграммы без смещения: а - Ы-СаБЬ/Ы-АЮаАзБЬ/п-1пСаАхБЬ, б - Ы-СаЯЬ/п-ЫСаАхБЬ/р-АЮаАхЗЬ

В спектре электролюминесценции изотипной гетероструктуры при температуре 77 К (рис.2) наблюдались два пика: узкозонный с энергией фотона Е|=0.30 эВ, соответствующий излучению из узкозонной активной области, и широкозонный Е2=0.73эВ, соответствующий излучению из К-ваБЬ. При этом интенсивность электролюминесценции и оптическая мощность обеих полос Е) и Ег возрастала суперлинейно с увеличением тока накачки от 50 до 200 мА (рис.2). Впервые эффект суперлинейного возрастания электролюминесценции наблюдался в работе [12] при исследовании

изотипной гетероструктуры на основе п-ваБЬ при низких температурах 4.2-77 К, однако при этом суперлинейный рост интенсивности излучения был обнаружен только для полосы Е2.

В спектрах электролюминесценции анизотипной гетероструктуры ТЧ-СаЗЬ/гЯпСаАзБЬ/р-АЮаАзЗЬ (рис.3) наблюдались два пика: как при температуре Т=300 К (Е1=0.28 эВ и Е2=0.64 эВ), так и при низкой температуре Т=77К (Е1=0.30 эВ и Е2=0.70 эВ). Суперлинейный рост ЭЛ от тока накачки был обнаружен для полосы Е1 при температуре 300 К и для полосы Е2 при температуре 77К.

Т= 77 К

■? 2 0 з

i 1.5

I 1.0

ш 0,5 0.0

S з.о

i 2.5 t 2,0

0,2 0,3 0,4 0.5 0.6 0.7 0.8 0,9 Photon energy, eV

I

a 2

50 100 ISO 200 250 Current, mA

50 100 150 200 250 Currant, mA

Рис. 2. Спектры электролюминесценции изотипной гетероструктуры Ы-СаБЬ/Ы-АЮаАхБЬ/п-/пСаА.чБЬ и зависимость оптической мощности от тока накачки (нижнийрис.) при Т=77 К (+ на п-ЫСаАзБЬ)

Для обеих типов гетероструктур зависимость интенсивности и оптической мощности излучения от тока накачки определялось общим степенным законом Р=А-1В, где А - подгоночный параметр, а показатель степени В изменялся в диапазоне 1.5-2 в области температур 77-300 К (рис.2, 3).

Е, Т = 300 к

-50 mA -100 mA -150 mA -200 mA -218 mA

T = 77 К

x200 \

0,2 0.3 0.4 0.5 0.6 0,7 0.8 0,9 Photon energy, eV

0.2 0,3 0,4

0,5 0,6 Photon energy, eV

0,7 0.8 0.9

о so 100

i 12 S 10

B=1

100 150 200

Рис. 3. Спектры электролюминесценции анизотипной гетероструктуры Ы-СаБЬ/п-ЫСаАяБЬ/Р-АЮаАзБЬ и зависимость оптической мощности от тока накачки (нижний рис.) при Т=300 и 77 К.

Для объяснения полученных результатов были сделаны оценки пороговых энергий ионизации в узкозонном твердом растворе п-ГпОаАэЗЬ [13]. Пороговая энергия ионизации для электронов в узкозонной активной области п-ГлСаАвБЬ дает значения: Е(0 ~ = 0.28 эВ, для тяжелых дырок в валентной зоне: 8ш ~ 2Е§ ~ 0.56 эВ. Как видно из рис. 1, значения скачков потенциала в зоне проводимости АЕс на гетерограницах Ы-АЮаАя5Ь/'п-ТпСаАз8Ь (АЕс=1.14 эВ) в изотипной и Ы-ОаБЬ/пЛпСаАзЗЬ (ДЕс»0.79 эВ) в анизотипной структуре существенно превосходят пороговую энергию ионизации для электронов в узкозонной активной области ДЕс»с1С. За счет этого электроны, разогретые на скачке потенциала АЕс, попадая в узкозонную активную область 1пСаАя8Ь, могут создавать электронно-дырочные пары, которые обеспечивают дополнительный вклад в излучательную рекомбинацию. Таким образом, суперлинейное возрастание интенсивности электролюминесценцию и оптической мощности может быть объяснено эффектом ударной ионизации «горячими» электронами.

Для доказательства влияния высоты барьера на спектры электролюминесценции была выращена анизотипная структура с меньшим значением энергии ДЕс по отношению к ширине запрещенной зоны активной области. В изготовленной структуре п-СаЯЬ/М-АЮаАзБЬ/п-Сао ^ГполгзАзЗЬ/Р-АЮаАзБЬ с шириной запрещенной зоны активного слоя п-Сао.Х751пол25Аз8Ь, равной Е§=0.605 эВ (Т=300 К), с содержанием А1 в ограничительных слоях АЮаАзБЬ около 64% (Е^1.28 эВ) скачок потенциала на гетерогрогранице п-АЮаАвЗЬ/п-СаЬгАзЗЬ в зоне проводимости составлял ДЕс=Ю.5эВ. Таким образом, значение энергии скачка потенциала ДЕс было меньше ширины запрещенной зоны активной области п-Оао.8751по.125А88Ь и меньше пороговой энергии ионизации для электронов в активной области: ДЕс < Eg(GaІIlAssь), АЕс < £1е(Са1пАз5Ь) (е!е~ Eg ~ 0.605 эВ). Как и ожидалось, в спектре электролюминесценции такой гетероструктуры наблюдались лишь одна полоса излучения с энергией фотона -0.60-0.61 эВ, соответствующая излучательной рекомбинации носителей в активной области, и линейная зависимость интенсивности электролюминесценции от тока накачки в диапазоне 20 - 220 мА.

Нами было показано, что предложенный метод увеличения интенсивности электролюминесценции и оптической мощности светодиодов на основе узкозонных гетероструктур с высокими скачками потенциала на гетерогранице за счет использования эффекта ударной ионизации может быть применен и для других материалов, в том числе, в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию суперлинейной электролюминесценции и разогрева носителей заряда в наногетероструктурах на основе п-ваБЬ с глубокими узкими квантовыми ямами А1(А8)8Ь/1пА5о.84$Ьолб/А1(А8)8Ь. Ранее увеличение энергии носителей при

разогреве электронов в глубоких квантовых ямах рассматривалось в работе Л.Е. Воробьева с соавторами [14].

Образцы для исследования были выращены методом МОГФЭ на установке АГХТЛОЫ 200 в Институте физики Чешской академии наук [15]. В параграфе 4.1 приводится характеризация наногетероструктуры п-Са8Ь/А1(А5)8Ь/1пА80.848Ь0.1б/ А1(Аз)8Ь/р-Са8Ь, зонная диаграмма которой представлена на рис.4. На подложке п-СаБЬ (легированной Те) выращивался нелегированный буферный слой р-ваБЬ толщиной 0.5 мкм, затем квантовая яма 20 нм А1(Аз)8Ь/5нм InAso.84Sbo.i6/20HM А1(А$)8Ь на основе нелегированного материала, затем накрывающий слой р-Оа8Ь толщиной 0.5 мкм, который преднамеренно не легировался. Узкозонный твердый раствор имел ширину запрещенной зоны 0.294 эВ (при Т=77 К) и 0.246 эВ (при Т=300 К), холловскую подвижность 38000 см2/(В с) и концентрацию электронов 2.6хЮ16 см"3. Скачок потенциала в зоне проводимости на гетерогранице А1(А8)8Ь/1пАз8Ь составлял АЕс « 1.27 эВ, в валентной зоне - АЕу я 0.62 эВ.

А!5Ь ША55Ь Д|5Ь

0\Л/

п-ваБЬ г^ р-йаБЬ

\у

А1А5 ¡г^е^асез

Рис. 4. Зонная диаграмма наногетероструктуры с глубокой квантовой ямой п-СаБЬ/А1(Аз)БЬ/1пАх1)Н4ЯЬ()и/А1(Ах)5Ь/р-ОаБЬ

В параграфе 4.2 представлены экспериментальные результаты исследования электролюминесценции в зависимости от тока накачки в наногетероструктурах при температуре 77 и 300 К [А7, А8, А9]. Интенсивное излучение наблюдалось в диапазоне энергий фотонов 0.6-0.8 эВ при 77 и 300 К (рис.5).

Рис.5. Спектры электролюминесценции для гетероструктуры п-СаБЬ/А 1(Ач)БЬ/1пАзБЬ/А 1(Аз)БЬ/р-СаБЬ для случая прямого смещения («-» приложен к подложке п-СаБЬ): а- при температуре Т=77 К, б-при температуре Т=300 К.

Впервые в рамках данной работы в квантово-размерной структуре было обнаружено суперлинейное возрастание интенсивности и оптической мощности излучения в диапазоне токов 25-200 мА. Так же как и в объемных гетероструктурах мощность увеличивалась по степенному закону Р=А-1В с высоким коэффициентом нелинейности В = 3 при 300 К и В=1.93 при 77 К (рис.6).

Рис.6. Зависимость мощности оптического излучения от тока накачки при температурах 77 К и 300 К для гетероструктуры п-СаБЬ/А 1(Ах)БЬ//пА.чЗЬ/А ¡^БЬ/р-СаБЬ

Для анализа результатов эксперимента совместно с Г.Г. Заря и Л.В. Даниловым были проведены теоретические оценки положения энергетических уровней в квантовой яме А1(А8)8Ь/1пА58Ь/А1(Аз)8Ь шириной 5 нм и обсуждены случаи возможной ударной ионизации электронами в такой структуре в зависимости от ширины квантовой ямы. Результаты теоретического анализа представлены в параграфе 4.3.

Оценки, проводимые в рамках четырехзонной модели Кейна, показали, что при температуре 77 и 300 К в квантовой яме шириной 5 нм в зоне проводимости содержатся два электронных уровня, в валентной зоне - пять дырочных уровней. Энергии основных уровней электрона и дырки отвечают значениям Ее, = 0.393 эВ и Еи, = 0.03 эВ при Т=77 К и Ее, = 0.394 эВ и Ем = 0.029 эВ при Т=300 К. Таким образом, расчетная эффективная ширина запрещенной зоны и энергия фотона для излучательного перехода (Ее, - Ем) отвечает значению: Ьу = 0.717 эВ при Т=77 К и Иу = 0.669 эВ при Т=300 К. Данные значения хорошо согласуются с результатами, полученными в эксперименте: при Т=77 К Иуехр = 0.718 эВ (рис.5 а), а при Т= 300 К Иу^ = 0.634 эВ (рис.5 б).

Было предположено, что суперлинейная электролюминесценция и

увеличение оптической мощности в исследуемой квантово-размерной

структуре с глубокой квантовой ямой обусловлены созданием

дополнительных электронно-дырочных пар за счет процесса ударной

ионизации горячими электронами, разогретыми за счет большого скачка

потенциала АЕС = 1.27 еУ на гетерогранице между барьером А1(Аз)Аз и

первым электронным уровнем в квантовой яме Ее1. В рассматриваемых

структурах излучательная рекомбинация происходит между электронным

уровнем Е1 и дырочным уровнем Ь|. Времена релаксации «горячих»

электронов на первый энергетический уровень и ударной ионизации намного

меньше (<10""- 10"'2 с), чем время излучательной рекомбинации (<10~8- 10"9

19

с). Благодаря этому дополнительные электроны, образовавшиеся в процессе ударной ионизации, будут накапливаться на уровне Ее) и излучательно рекомбинировать с дырками.

Значения пороговых энергий ионизации электронов с1С в квантовой яме InAsSb равнялись энергетическому расстоянию между первым электронным и первым дырочным уровнем 8ie=(Eel+Eg(i„AsSb)+Ehl) и составляли 0.669 эВ при Т=300К и 0.717эВ при Т=77К. Таким образом, скачок (ЛЕС - Ее1 ) равный 0.876 эВ при Т=300К и 0.877 эВ при Т=77К превышает пороговую энергию ионизации 8ie, так что возможно рождение одной электронно-дырочной пары:

(АЕС - Ed ^)=0.876эВ > £1е=0.669эВ при Т = 300 К;

(ЛЕС -Ее1)=0.877эВ > е|е=0.717эВ при Т= 77 К.

Поскольку пороговая энергия ионизации электронов при понижении температуры увеличивается за счет увеличения ширины запрещенной зоны InAsSb на 48 мэВ при 77 К, в то время как значение (AEC-Eei) остается практически неизменным, вклад ударной ионизации в излучательную рекомбинацию уменьшается. В связи с этим значение показателя степени В в формуле зависимости оптической мощности от тока накачки Р=АТВ при 300 К выше, чем при низкой температуре (рис. 6). Следует отметить, что увеличение оптической мощности в квантоворазмерных структурах в 1.5 раза больше, чем наблюдаемое нами в объемных гетеструктурах II типа на основе n-GaSb, что объясняется более сильной локализацией носителей в глубокой квантовой яме.

Пятая глава посвящена исследованию спектров поглощения воды, необводненной нефти и водо-нефтяной эмульсии с различным содержанием воды с использованием светодиодов, излучающих в среднем ИК-диапазоне (1.6-2.4 мкм) [А10, All, А12, А13]. На основе проведенных измерений и с учетом особенностей водо-нефтяных эмульсий, была разработана конструкция оптической ячейки на основе трехэлементной светодиодной матрицы [А14] и

широкополосного фотодиода (рис.7). Использование трех измерительных каналов позволило учесть не только поглощение воды и нефти, но и рассевание на границах фаз нефть-вода, которое оказывает существенное влияние на результаты измерений. Проведены успешные испытания анализатора на базе предприятия ОАО «Татнефть», установлено, что разработанный образец может быть использован для определения концентрации воды в водо-нефтяной смеси в диапазоне содержания воды от О до 80% с погрешностью ~2-3% [А15].

а б

Рас. 7: а — конструкция оптической ячейки, б — спектры излучения

светодиодов LED 16, LED 19, LED22 и спектральная чувствительность

фотодиода PD24

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований:

1. Предложены и исследованы два типа конструкций светодиодов на основе двойных гетероструктур InAsSbP/InAs/InAsSbP для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм. Изучены вольт-амперные, электролюминесцетные и ватт-амперные характеристики созданных светодиодов.

2. Показано, что конструкция светодиода на основе гетероструктуры п-InAs/n-InAs/p-InAs/P-InAsSbP с выводом излучения через подложку n-InAs обеспечивает более эффективный теплоотвод и, как следствие, стабильность спектральных характеристик при увеличении тока инжекции, а также более высокую квантовую эффективность излучательной рекомбинации.

Установлено, что внутренний квантовый выход светоизлучающих структур в диапазоне 3.3-3.4 мкм достигал величины 22.3% в импульсном режиме.

3. Выращены изотипные М-СаЗЬ/ГЧ-АЮаАзЗЬ/п-ГпОаАйБЬ и анизотипные Ы-Са8Ь/п-1пОаАз8Ь/Р-АЮаА58Ь гетероструктуры методом ЖФЭ с высокими потенциальными барьерами, обеспечивающими большие разрывы зон ДЕс на гетерограницах, и узкозонным твердым раствором в активной области (ДЕс » Eg тпОа/^ь) и построены их зонные энергетические диагарммы.

4. Обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция и возрастание оптической мощности в диапазоне энергий фотона 0.2-0.8 эВ в зависимости от тока накачки в области температур 77-300 К в объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа на основе п-ваБЬ (п-СаЗЬ/п-АЮаАзЗЬ/пТпОаАзБЬ и п-Оа8Ь/п-1пСаА58Ь/р-АЮаАк5Ь).

5. Проведены оценки пороговых энергий ионизации электронов в изотипных и анизотипных гетероструктурах (п-ОаЗЬ/п-АЮаАхЗЬ/п-ГпСаАзБЬ и п-Са8Ь/п-1пОаАз8Ь/р-АЮаАз8Ь) в сопоставлении с энергиями скачков потенциала на гетерограницах М-АЮаАзЗЬ/п-ГпСаАзБЬ и 1\1-Са8Ь/п-1пОаАз5Ь. Показано, что суперлинейная зависимость интенсивности электролюминесценции и оптической мощности может быть объяснена вкладом в излучательную рекомбинацию дополнительных электронно-дырочных пар за счет ударной ионизации электронами, разогретыми на скачке потенциала ДЕс в зоне проводимости на гетерогранице.

6. Методом МОГФЭ выращены наногетероструктуры на основе п-СаБЬ с

глубокой квантовой ямой А1(А5)5Ь/1пАз8Ь/А1(Аз)8Ь. Исследована

электролюминесценция в диапазоне энергий фотонов 0.6-0.8 эВ при

температуре Т=77 и 300 К. Впервые обнаружено суперлинейное возрастание

интенсивности электролюминесценции и оптической мощности излучения в

зависимости от тока накачки в диапазоне 25-200 мА при низкой и комнатной

температурах. Установлено, что увеличение интенсивности

22

электролюминесценции и оптической мощности происходит, как и в объемных гетероструктурах, по степенному закону Р=А1В, где А -подгоночный параметр, I - ток накачки, с высоким коэффициентом нелинейности В = 3 при 300 К и В=1.93 при 77 К.

7. Проведены теоретические расчеты положений энергетических уровней электронов и дырок, а также параметров ударной ионизации в глубокой квантовой яме Л1(Л5)БЬ/1пАз8Ь/А1(А$)8Ь. Подтверждена возможность создания дополнительных электронно-дырочных пар, участвующих в излучательной рекомбинации, за счет эффекта ударной ионизации в квантово-размерных структурах. Теоретические оценки хорошо согласуются с экспериментом.

8. Предложен новый подход к увеличению квантовой эффективности и оптической мощности ИК светодиодов на основе объемных гетероструктур с высокими скачками потенциала на гетерогранице и в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами за счет использования эффекта ударной ионизации. Данный способ может быть применен для увеличения квантовой эффективности светоизлучающих структур на основе других полупроводниковых материалов, а также солнечных и термофотовольтаических элементов.

9. Исследованы спектры поглощения воды, необводненной нефти и водо-нефтяной эмульсии с различным содержанием воды с использованием светодиодов, излучающих в среднем ИК-диапазоне (1.6-2.4 мкм). Разработана конструкция оптического анализатора содержания воды в нефти на основе оптопары, содержащей трехэлементную светодиодную матрицу и фотодиод. С помощью созданного анализатора исследовано поглощение обводненной нефти с различной концентрацией воды в диапазоне от 0 до 80% и проведено тестирование на базе предприятия ОАО «Татнефть».

Список основных публикаций по теме диссертации А1. А.П. Астахова, А.С. Головин, Н.Д. Ильинская, К.В. Калинина, С.С. Кижаев, О.Ю.Серебренникова, Н.Д. Стоянов, Zs.J. Horvath, Ю.П. Яковлев «Мощные светодиоды на основе гетероструктур In As/In As SbP для спектроскопии метана (X, ~ 3.3 мкм)» // ФТП. 2010. Т.44. Вып. 2. С.278-284.

А2. Kalinina K.V., Stoyanov N.D., Molchanov S.S., Kizhaev S.S., Zhurtanov В.E., Yakovlev Yu.P. " Optoelectronic Devices Based on GaSb and InAs

Heterostructures and Their Application in Portable Sensors for Ecological Monitoring" // Proceedings of the 2009 Interdisciplinary Conference on Chemical, Mechanical and Materials Engineering, 7-20 Dec., 2009, Melbourne, Australia. P.486-491.

A3. K.B. Калинина, М.П. Михайлова, Б.Е. Журтанов, Н.Д. Стоянов, Ю.П.Яковлев «Суперлинейная электролюминесценция в гетероструктурах на основе GaSb с высокими потенциальными барьерами» // ФТП. 2013. Т.47. Вып.1.С.75-82.

А4. М. P. Mikhailova, К. V. Kalinina, В. Е. Zhurtanov, N. D. Stoyanov, А. Р. Astakhova, and Yu. P. Yakovlev "Superlinear electroluminescence stimulated by impact ionization on the type II interface of GaSb-based heterostructures" // 13th Intern. Confer, on the Formation of Semiconductor Interfaces, Prague, 3-8 July 2011, p. 216.

A5. M.P.Mikhailova, K.V.Kalinina, B.E. Zhurtanov, E.V. Ivanov, N.D. Stoyanov, Yu.P. Yakovlev "Superlinear luminescence and enhancement of optical power stimulated by impact ionization in the type II GaSb-based heterostructures" // Proc. of 20th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, Nizhny Novgorod, Russia, June 24-30, p.223-224.

A6. K.V. Kalinina, M.P. Mikhailova, B.E. Zhurtanov, N.D. Stoyanov, Yu.P. Yakovlev "Superlinear electroluminescence stimulated by impact ionization in type II GaSb-based heterostructures with high potential barriers" // 31st International

24

conference on the Physics of Semiconductors, Zurich, Switzerland, July 29th t-August 3rd 2012, Program and abstracts, p. 184.

A7. M. P. Mikhailova, E. V. Ivanov, L. V. Danilov, К. V. Kalinina, N. D. Stoyanov, G. G. Zegrya, Yu. P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrac, and M. Zikova " Superlinear electroluminescence due to impact ionization in GaSb-based heterostructures with deep Al(As)Sb/InAsSb/Al(As)Sb quantum wells" // JAP. 2012. V. 112. 023108. P. 023108-1 -023108-5.

A8. M.P. Mikhailova, E.V. Ivanov, L.V. Danilov, K.V. Kalinina, N.D. Stoyanov, G.G. Zegrya, Yu.P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, and J. Pangrac "Enhancement of quantum efficiency and optical power due to impact ionization in GaSb based heterostructures with deep Al(As)Sb/InAsSb/Al(As)Sb quantum wells" // ЗГ1 International conference on the Physics of Semiconductors, Zurich, Switzerland, July 29th t- August 3rd 2012, Program and abstracts, p. 121.

A9. M. P. Mikhailovaa, E. V. Ivanov a, L. V. Danilov а, К. V. Kalininaa, N. D. Stoyanov a, G. G. Zegrya, Yu. P. Yakovlev a, A. Hospodkovab, J. Pangracb, M. Zikova, and E. Hulicius "Superlinear electroluminescence from deep Al(As)Sb/InAsSb/Al(As)Sb quantum wells" // Eleventh International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices. Chicago, USA, September 4th - 8th, 2012. Program and abstracts, p.23-24.

A10. K.B. Калинина, C.C. Молчанов, Н.Д. Стоянов, А.П. Астахова, Х.М. Салихов, Ю.П.Яковлев «Портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе оптопары «светодиодная матрица - широкополосный фотодиод» среднего ИК диапазона (1.6 - 2.4 цт)» // ЖТФ. 2010. Т.80. Вып. 2.С.99-104.

All. K.B. Калинина, Н.Д. Стоянов, Ю.П.Яковлев «Применение оптоэлектронных пар светодиод — фоточувствительный элемент на основе гетероструктур А3В5 в сенсорах влажности и водорода» // Сборник тезисов докладов XI Всероссийской молодежной конференции по физике

25

полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, 30 ноября — 4 декабря 2009, С.-Петербург. С.114.

А12. K.V. Kalinina, N.D. Stoyanov, S.S. Molchanov, Yu.P. Yakovlev "Application of Mid-Infrared LEDs (1.6 - 2.4 цт) for Detection of Water in Cut-Oil" // Tenth International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices. Shanghai, Sept. 2010. Program and abstracts, p. 84.

A13. Ю.П. Яковлев, Н.Д. Стоянов, C.C. Молчанов, K.B. Калинина «Портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе светодиодов и широкополосного фотодиода в средней инфракрасной области спектра (1.6-2.4мкм)»//8й Белорусско-Российский семинар

«Полупроводниковые лазеры и системы на их основе». Минск, май 2011. Сб. статей, с. 196-197.

А14. Патент на полезную модель: С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев, Н.Д. Стоянов, Б.Е. Журтанов, К.В. Калинина «Трехцветный светодиодный излучатель средней инфракрасной области спектра для измерения содержания воды в нефти и других негомогенных жидкостях» №87544, приоритет от 24.09.2008.

А15. Патент на полезную модель: Р.З. Сахабутдинов, Р.Б. Фаттахов, С.А. Соболев, Ю.П. Яковлев, Н.Д. Стоянов, С.С. Молчанов, К.В. Калинина «Инфракрасный влагомер углеводородов» №80955, приоритет от 28.10.2008.

Цитируемая литература

1. М. Mikhailova, N. Stoyanov, I. Andreev, В. Zhurtanov, S. Kizhaev, E. Kunitsyna, K. Salikhov, Yu. Yakovlev. Proceedings of SPIE, 6585, 658526 (2007).

2. Н.Д. Стоянов, Б.Е. Журтанов, А.П. Астахова, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев. ФТП, 37 (8), с.996 (2003).

3. Абакумов В.Н., Перель В.П., Яссиевич И.Н. «Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках», С.-Петербург, 376 стр. 1997.

26

4. R.D. Schaller, V.l. Klimov. Phys.Rev.Lett., 92 (18), p. 186601 (2004).

5. F. Capasso in: Semicond. and Semimetals. Vol.22. Part D. Photodetectors.

Chapter 1. (1982).

6. M.P.Mikhailova, A.N.Titkov. Semicond. Sei. Technol., 9, p. 1279 (1994).

7. Kroemer H. and Griffiths G. Electron Device Lett., 4 , p.20-22 (1983).

8. Г.Г. Зегря, В.А. Харченко. ЖЭТФ, 10 (1), 327 (1992).

9. Л.В. Данилов, Г.Г. Зегря. ФТП, 42 (5), 566 (2008).

10. Н.Д.Стоянов, Б.Е.Журтанов, А.Н.Именков, А.П.Астахова, М.П.Михайлова, Ю.П.Яковлев. ФТП, 42 (4), с.468 (2008).

11. A. Krier, V.V. Sherstnev and H.H. Gao. J. Phys. D: Appl. Phys. 33, pp. 1-6 (2000).

12. H.JI. Баженов, Б.Е. Журтанов, К.Д. Мынбаев, А.П. Астахова, А.Н. Именков, М.П. Михайлова, В.А. Смирнов, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев. Письма в ЖТФ, 33 (23), 1 (2007).

13. А.Р. Dmitriev, М.Р. Mikhailova, I.N.Yassievich. Phys.stat.sol. (b), 140, 9 (1987).

14. Л.Е. Воробьев, М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, В.Л. Зерова, В.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, П. Тхумронгсилапа, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, L. Shterengas, G. Kipshidze, Т. Hosoda, G. Belenky. ФТП. 44(11), с. 1451 (2010).

15. K.D. Moiseev, E.V. Ivanov, G.G. Zegrya, M.P. Mikhailova, Yu.P. Yakovlev. APL 88, 132102 (2006).

Подписано в печать 15.11.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9953Ь.

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

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Светодиоды для средней ИК-области спектра 1.6 - 5 мкм (обзор).

1.1. Узкозонные полупроводниковые материалы А3В5 для светоизлучающих структур, работающих в диапазоне 1.6-5 мкм.

1.1.1. Бинарные соединения Оа8Ь и 1пАз.

1.1.2. Многокомпонентные твердые растворы на основе ваБЬ.

1.1.3. Многокомпонентные твердые растворы на основе 1пАз.

1.2. Особенности зонных энергетических диаграмм гетеропереходов I и II типа на основе узкозонных полупроводников А3В5.

1.3. Излучательная и безызлучательная рекомбинация в гетеропереходах I и II типа.

1.4. Электролюминесцентные свойства светодиодов на основе гетероструктур СаЫАзЗЬ/АЮаАвЗЬ (1.6-2.4 мкм).

1.5. Электролюминесцентные свойства светодиодов на основе гетероструктур 1пАз8Ь/1пА58ЬР (3-5 мкм).

1.6. Способы повышения оптической мощности светодиодов на основе узкозонных гетероструктур А3В5.

1.7. Выводы к главе 1.

Глава 2. Методика создания и исследования светодиодных гетероструктур на основе узкозонных твердых растворов в системе СавЬ-ТпАв.

2.1. Особенности технологии жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) гетероструктур на основе твердого раствора Оа1пАз8Ь.

2.2. Особенности технологии газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ) гетероструктур на основе 1пАз/1пА58Ь(Р).

2.3. Постростовая обработка светодиодных гетероструктур.

2.4. Методика исследования вольт-амперных и люминесцентных характеристик светодиодных гетероструктур.

2.5. Выводы к главе 2.

Глава 3. Новые подходы к созданию высокоэффективных спонтанных источников излучения для среднего ИК диапазона (1.6 - 5 мкм) на основе объемных гетероструктур А3В5.

Введение.

3.1. Исследование электролюминесценции в объемных гетероструктурах I типа на основе 1пАз/1пА58Ь(Р).

3.2. Исследование электролюминесценции в объемных изотопных и анизотипных гетероструктурах II типа на основе ОаБЬ с высокими потенциальными барьерами.

3.2.1. Исследование электролюминесценции в изотипной гетероструктуре 14

СаЗШ-АЮаАзЗЬЛЯпОаАзЗЬ.

3.2.2. Исследование электролюминесценции в анизотипных гетероструктурах на основе ОаБЬ.

3.3. Выводы к главе 3.

Глава 4. Исследование электролюминесценции в квантово-размерных гетероструктурах на основе вавЬ с глубокими квантовыми ямами А1(А5)8ЬЯпА88Ь/А1(А5)8Ь.

Введение.

4.1. Создание и характеризация квантово-размерных гетероструктур на основе ОаБЬ с глубокой квантовой ямой А1(А8)8Ь/1пАз8Ь/А1(Аз)8Ь, выращенных методом МОГФЭ.

4.2. Обнаружение и исследование эффекта сверхлинейной зависимости интенсивности люминесценции и оптической мощности от тока накачки в гетероструктурах с глубокой квантовой ямой.

4.3. Теоретические оценки процесса ударной ионизации в глубокой квантовой яме и сопоставление с экспериментом.

4.4. Выводы к главе 4.

Глава 5. Применение светодиодов на основе узкозонных гетероструктур для создания портативного анализатора содержания воды в нефти.

Введение.

5.1. Исследование поглощения воды и нефти с помощью светодиодов, излучающих в диапазоне 1.6-2.3 мкм.

5.2. Разработка оптической ячейки на основе светодиодной матрицы портативного анализатора воды в нефти с учетом особенностей поглощения водонефтяной эмульсии.

5.3. Определение калибровочной кривой анализатора воды в нефти.

5.4. Вывод к главе 5.

Актуальность темы. Работы по созданию и исследованию узкозонных гетероструктур в системе ОаБМпАз, перекрывающих средний инфракрасный диапазон, активно ведутся на протяжении последних десятилетий. Спектральная область 2-5 мкм актуальна для задач экологии и охраны окружающей среды, поскольку в этой области находятся характеристические полосы поглощения многих природных и промышленных газов (СО, СО2, СН4, Н28, паров воды и др.). Наличие характеристических полос поглощения открывает широкие возможности для разработки оптических методов газового анализа, контроля технологических параметров промышленной продукции, медицинской диагностики и др [1].

С точки зрения практического использования, источники спонтанного ИК излучения обладают рядом преимуществ по сравнению с лазерами и тепловыми источниками. Они миниатюрны, отличаются низким энергопотреблением, высоким быстродействием (~10-50нс), излучают в узком спектральном диапазоне (по сравнению с тепловыми источниками) и не требуют применения дополнительных фильтров [2].

Однако квантовая эффективность и оптическая мощность светодиодов на базе

•5 е узкозонных гетероструктур А В невысока по сравнению с источниками спонтанного излучения для видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов на основе, например, ОаАэ и 1пР, в которых внутренний квантовый выход близок к 1. К настоящему времени для светодиодов на основе ОаХпАБЗЬ/АЮаАзБЬ, работающих в диапазоне 1.6-2.4 мкм, достигнуты значения средней оптической мощности 1-3 мВт в квазистационарном режиме при комнатной температуре [2]. В то же время средняя оптическая мощность светодиодов, излучающих в области 3-5 мкм, существенно ниже. Главным образом, это связано с сильным влиянием процесса безызлучательной оже-рекомбинации, скорость которой возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны и повышении температуры [3]. Поэтому важной проблемой является поиск путей повышения квантовой эффективности и оптической мощности светодиодов на основе узкозонных полупроводников. В последние годы для увеличения квантовой эффективности солнечных фотоэлементов в структурах с квантовыми точками предлагается механизм умножения носителей за счет освещения структуры высокоэнергетичными фотонами [4]. В работе [5] была показана возможность использовать большие скачки потенциала в зоне проводимости на гетерогранице для увеличения отношения коэффициентов ионизации в лавинных фотодиодах на основе многослойных гетероструктур ОаАз/ОаАЬ^ с квантовыми ямами. Однако, для светоизлучающих структур эти эффекты ранее не рассматривались.

Актуальность данной работы заключается в том, что в работе был исследован и апробирован экспериментально новый метод получения суперлинейной люминесценции и увеличения оптической мощности в светоизлучающих узкозонных гетероструктурах на основе йаБЬ с большими скачками потенциала на гетерогранице, превышающими пороговую энергию ионизации в узкозонном материале, а также в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами.

Цель работы: исследование люминесцентных свойств объемных гетероструктур I и II типа с высокими потенциальными барьерами и квантово-размерных гетероструктур с глубокими квантовыми ямами в системе твердых растворов Оа8Ь-1пАз-А18Ь для спектрального диапазона 1.5-5.0 мкм и разработка новых методов увеличения квантовой эффективности и оптической мощности.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи;

• Исследование люминесцентных характеристик узкозонных гетероструктур I типа на основе ГпАзЛпАвЗЬЛпАзЗЬР для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ);

• Исследование электролюминесценции и оптической мощности в объемных изотопных и анизотипных гетероструктурах II типа на основе п-ваБЬ с узкозонной активной областью 1пОаАз8Ь и высокими потенциальными барьерами на гетерогранице, выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в зависимости от тока накачки;

• Исследование механизмов излучательной рекомбинации и ударной ионизации в объемных гетероструктурах на основе ваБЬ с высокими потенциальными барьерами на гетерогранице;

• Исследование электролюминесценции и оптической мощности в зависимости от тока накачки в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами А1(А8)8Ь/1пАз8Ь/А1(А5)8Ь, выращенных методом МОГФЭ на подложках п-ваБЬ;

• Теоретические оценки параметров квантовых ям и механизма ударной ионизации электронами в структурах с глубокими квантовыми ямами А1(А8)8Ь/1пАз8Ь/А1(Аз)8Ь и сопоставление с экспериментом;

• Применение светодиодов на основе узкозонных полупроводников А В для исследование водо-нефтяных эмульсий в спектральном диапазоне 1.6.-2.4 мкм.

Научная новизна результатов, полученных в работе состоит в следующем:

• Обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция в диапазоне энергий фотонов 0.2-0.8 эВ и диапазоне температур 77-300 К в объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа с узкозонной активной областью ЫваАвБЬ и высокими потенциальными барьерами на гетерогранице, выращенных методом ЖФЭ.

• Проведены оценки пороговых энергий ионизации в объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа М-ОаЗЬ/ЬГ-АЮаАзЗЬ/пЛпОаАзЗЬ, 1Ч-Оа8Ь/п-IгЮаАзЗЬ/Р-АЮаАз8Ь с большой энергией скачка потенциала АЕс в зоне проводимости на гетерогранице. Показано, что наблюдаемая суперлинейная зависимость интенсивности электролюминесценции и оптической мощности от тока накачки может быть объяснена вкладом в излучательную рекомбинацию дополнительных электронно-дырочных пар за счет эффекта ударной ионизации электронами, разогретыми за счет большого скачка потенциала в зоне проводимости (АЕс) на гетеро границах Ы-АЮаАзЗЬ/п^пОаАзБЬ и 14-ОаЗЬ/пЛпОаАвЗЬ.

• Впервые обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция в наногетероструктурах на основе ваБЬ с глубокой квантовой ямой А1(А5)8Ь/1пА88Ь/А1(Аз)8Ь при температурах 77 и 300 К в интервале энергий фотонов 0.60.8 эВ, выращенных методом МОГФЭ.

• Установлено, что возрастание интенсивности люминесценции и оптической мощности излучения с током накачки, как в объемных гетероструктурах, так и в наногетероструктурах с квантовыми ямами происходит по степенному закону Р=А-1В, где I - ток накачки, А - подгоночный параметр. При этом показатель степени В лежит в диапазоне 1.5-2 для объемных гетероструктур и 2-3 для наногетероструктур в интервале температур 77-300 К.

• В наногетероструктурах на основе ваБЬ с глубокой квантовой ямой А1(Аз)8Ь/1пА58Ь/А1(А8)8Ь теоретически рассчитано положение энергетических уровней в квантовой яме А1(А8)8Ь/1пАз8Ь/А1(А8)8Ь, пороговая энергия ионизации электронов и подтверждена возможность создания дополнительных электронно-дырочных пар, участвующих в излучательной рекомбинации, за счет эффекта ударной ионизации в глубокой квантовой яме.

Практическая значимость работы:

• Разработаны и исследованы два типа конструкций светодиодов на основе двойных гетероструктур I типа 1пА88ЬР/1пА8/1пА88ЬР, выращенных на подложках р- и п

InAs для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм. За счет использования широкозонных ограничительных слоев и улучшения условий отвода тепла из активной области получено значение внутреннего квантового выхода светодиодов 22.3% в импульсном режиме.

• Предложен новый оригинальный способ повышения оптический мощности и квантовой эффективности светоизлучающих структур за счет использования процесса ударной ионизации в объемных гетероструктурах II типа на основе GaSb с высокими потенциальными барьерами на гетерограницах и в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами. Данный подход может быть использован для увеличения квантовой эффективности светоизлучающих структур на основе других полупроводниковых материалов, а также солнечных и термофотовольтаических элементов.

• Предложен и реализован портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе оптопары светодиодная матрица - фотодиод, работающей в среднем ИК-диапазоне (1.6-2.4 мкм).

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В объемных гетероструктурах N-GaSb/N-AlGaAsSb/n-InGaAsSb и N-GaSb/n-InGaAsSb/P-AIGaAsSb с высокими потенциальными барьерами, состоящих из двух широкозонных и одного узкозонного слоя, зависимость электролюминесценции от тока накачки носит суперлинейный характер, что обусловлено созданием дополнительных электронно-дырочных пар за счет эффекта ударной ионизации горячими электронами, разогретыми на скачке потенциала в зоне проводимости на гетерогранице N-AlGaAsSb/n-InGaAsSb в изотипной структуре и на гетерогранице N-GaSb/n-InGaAsSb в анизотипной. При этом суперлинейная электролюминесценция наблюдается для двух спектральных полос hvi « 0.3 эВ и hv2 « 0.7 эВ, соответствующих излучательной рекомбинации в узкозонной активной области и вблизи гетерограницы с N-GaSb.

2. В двумерных гетероструктурах на основе GaSb с глубокой и узкой квантовой ямой Al(As)Sb/InAsSb/Al(As)Sb излучательная рекомбинация реализуется при переходах между первым уровнем электронов Eei и дырок Ehi, а ударная ионизация осуществляется электронами, разогретыми на скачке потенциала в зоне проводимости ДЕс = 1.27 эВ на границе Al(As)Sb/InAsSb, превышающего пороговую энергию ионизации электронами Sie= Eei + Eg inAsSb + Ehi внутри квантовой ямы.

3. Зависимость оптической мощности излучения от тока накачки в объемных гетероструктурах с высокими потенциальными барьерами и в наногетероструктурах с глубокой квантовой ямой определяется общим степенным законом Р=А-1В, где А подгоночный параметр, I - ток накачки. При этом в области температур 77-300 К показатель степени В меняется в диапазоне 1.5-2 для объемных гетероструктур и в диапазоне 2-3 для наногетероструктур. Более сильная зависимость оптической мощности от тока в квантово-размерных структурах обусловлена более эффективной локализацией носителей в глубокой квантовой яме.

4. Разработан оптический метод анализа содержания воды в водонефтяных эмульсиях в среднем ИК диапазоне с помощью оптопары, содержащей трехэлементную светодиодную матрицу и фотодиод, при этом влияние рассеяния на границе фаз нефть-вода учитывается за счет использования дополнительного светодиода с длиной волны 1=2.2 мкм.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и семинарах:

11th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (Chicago, USA, September 4th - 8th, 2012); 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (Zurich, Switzerland, July 29th t- August 3rd 2012); 20th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology (Nizhny Novgorod, Russia, June 24-30 2012); 13th Intern. Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (Prague, 3-8 July 2011); 8й Белорусско-Российский семинар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» (Минск, май 2011); International Scientific and Applied Conference "Opto-Nano Electronics and Renewable Energy Sources 2010" (Varna, Sept. 2010); 10th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (Shanghai, Sept. 2010); Interdisciplinary Conference on Chemical, Mechanical and Materials Engineering (7-20 December, 2009, Melbourne, Australia); XI Всероссийская молодежная конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (30 ноября - 4 декабря 2009, С.-Петербург); Второй Международный форум по нанотехнологиям (6-8 октября 2009, Москва); а также обсуждались на семинарах в лаборатории Инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе и в лаборатории MOVPE Института физики Чешской академии наук (г. Прага, Чешская Республика).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах, получено 2 патента, библиографический список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, включая 67 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемой литературы включает 114 наименований.

Основные результаты данной работы представлены в следующих публикациях:

1. А.П. Астахова, А.С. Головин, Н.Д. Ильинская, К.В. Калинина, С.С. Кижаев, О.Ю.Серебренникова, Н.Д. Стоянов, Zs.J. Horvath, Ю.П. Яковлев «Мощные светодиоды на основе гетероструктур InAs/InAsSbP для спектроскопии метана (А. ~ 3.3 мкм)» // ФТП. 44 (2). С.278-284 (2010).

2. К.В. Калинина, С.С. Молчанов, Н.Д. Стоянов, А.П. Астахова, Х.М. Салихов, Ю.П.Яковлев «Портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе оптопары «светодиодная матрица - широкополосный фотодиод» среднего ИК диапазона (1.6 - 2.4 цт)» // ЖТФ. 80 (2).С.99-104 (2010).

3. М. P. Mikhailova, Е. V. Ivanov, L. V. Danilov, К. V. Kalinina, N. D. Stoyanov, G. G. Zegrya, Yu. P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrac, and M. Zikova " Superlinear electroluminescence due to impact ionization in GaSb-based heterostructures with deep Al(As)Sb/InAsSb/Al(As)Sb quantum wells" // JAP. 112 (023108) P. 023108-1 - 023108-5. (2012).

4. K.B. Калинина, М.П. Михайлова, Б.Е. Журтанов, Н.Д. Стоянов, Ю.ПЛковлев «Суперлинейная электролюминесценция в гетероструктурах на основе GaSb с высокими потенциальными барьерами» // ФТП. 47 (1). С.75-82 (2013).

5. К.В. Калинина, Н.Д. Стоянов, Ю.ПЛковлев «Применение оптоэлектронных пар светодиод - фоточувствительный элемент на основе гетероструктур А3В5 в сенсорах влажности и водорода» // Сборник тезисов докладов XI Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, 30 ноября - 4 декабря, С.-Петербург. С.114 (2009).

6. Kalinina K.V., Stoyanov N.D., Molchanov S.S., Kizhaev S.S., Zhurtanov B.E., Yakovlev Yu.P. " Optoelectronic Devices Based on GaSb and InAs Hetero structures and Their Application in Portable Sensors for Ecological Monitoring" // Proceedings of the 2009 Interdisciplinary Conference on Chemical, Mechanical and Materials Engineering, 7-20 December, Melbourne, Australia. P.486-491 (2009).

7. K.V. Kalinina, N.D. Stoyanov, S.S. Molchanov, Yu.P. Yakovlev "Application of Mid-Infrared LEDs (1.6 - 2.4 цт) for Detection of Water in Cut-Oil" // 10th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices. Shanghai, Sept. Program and abstracts, p. 84 (2010).

8. Ю.П. Яковлев, Н.Д. Стоянов, С.С. Молчанов, К.В. Калинина «Портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе светодиодов и широкополосного фотодиода в средней инфракрасной области спектра (1.6-2.4 мкм)» // 8й

Белорусско-Российский семинар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе». Минск, май 2011. Сборник статей, стр. 196-197 (2011).

9. М. P. Mikhailova, К. V. Kalinina, В. Е. Zhurtanov, N. D. Stoyanov, А. P. Astakhova, and Yu. P. Yakovlev "Superlinear electroluminescence stimulated by impact ionization on the type II interface of GaSb-based heterostructures" // 13th Intern. Confer, on the Formation of Semiconductor Interfaces, Prague, 3-8 July 2011, p. 216.

10. M.P.Mikhailova, K.V.Kalinina, B.E. Zhurtanov, E.V. Ivanov, N.D. Stoyanov, Yu.P. Yakovlev "Superlinear luminescence and enhancement of optical power stimulated by impact ionization in the type II GaSb-based heterostructures" // Proc. of 20th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, Nizhny Novgorod, Russia, June 24-30, p.223-224 (2012).

11. K.V. Kalinina, M.P. Mikhailova, B.E. Zhurtanov, N.D. Stoyanov, Yu.P. Yakovlev "Superlinear electroluminescence stimulated by impact ionization in type II GaSb-based heterostructures with high potential barriers" //31st International conference on the Physics of Semiconductors, Zurich, Switzerland, July 29th t- August 3rd 2012, Program and abstracts, p. 184(2012).

12. M.P. Mikhailova, E.V. Ivanov, L.V. Danilov, K.V. Kalinina, N.D. Stoyanov, G.G. Zegrya, Yu.P. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, and J. Pangrac "Enhancement of quantum efficiency and optical power due to impact ionization in GaSb based heterostructures with deep Al(As)Sb/InAsSb/Al(As)Sb quantum wells" // 31st International conference on the Physics of Semiconductors, Zurich, Switzerland, July 29th t- August 3rd 2012, Program and abstracts, p.121 (2012).

13. M. P. Mikhailovaa, E. V. Ivanov a, L. V. Danilov а, К. V. Kalininaa, N. D. Stoyanov a, G. G. Zegrya, Yu. P. Yakovlev a, A. Hospodkovab, J. Pangracb, M. Zikova, and E. Hulicius "Superlinear electroluminescence from deep Al(As)Sb/InAsSb/Al(As)Sb quantum wells" // 11th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices. Chicago, USA, September 4th - 8th, 2012. Program and abstracts, p.23-24 (2012).

14. Патент на полезную модель: С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев, Н.Д. Стоянов, Б.Е. Журтанов, К.В. Калинина «Трехцветный светодиодный излучатель средней инфракрасной области спектра для измерения содержания воды в нефти и других негомогенных жидкостях» №87544, приоритет от 24.09.2008.

15. Патент на полезную модель: Р.З. Сахабутдинов, Р.Б. Фаттахов, С.А. Соболев, Ю.П. Яковлев, Н.Д. Стоянов, С.С. Молчанов, К.В. Калинина «Инфракрасный влагомер углеводородов» №80955, приоритет от 28.10.2008.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Н.Д. Стоянов, Б.Е. Журтанов, А.П. Астахова, A.H. Именков, Ю.П. Яковлев, «Высокоэффективные светодиоды спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм для медицинской диагностики и экологического мониторинга»// ФТП. 2003. - т. 37, в.8. - С. 996 - 1009.

2. Абакумов В.Н., Перель В.И., Яссиевич И.Н. «Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках», С.-Петербург: Изд-во Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Контантинова РАН. 1997,376 с.

3. R.D. Schaller, V.I. Klimov "High efficiency carrier multiplication in PbSe nanocrystals: implications for soler energyconversion" // Phys.Rev.Lett. 2004. - V.92, N 18. - P. 186601.

4. F. Capasso in: Semicond. and Semimetals. Vol.22. Part D. Photodetectors. Chapter 1. (1982).

5. Wu, M. C. and С. C. Chen, "Photoluminescence of high-quality GaSb grown from Ga-and Sb-rich solutions by liquid-phase epitaxy" // J. Appl. Phys. 1992. - V.72, N 9. - P. 42754280.

6. Z.M. Fang, K.Y. Ma, D.H. Jaw, R.M. Cohen, and G.B. Stringfellow "Photoluminescence of InSb, InAs, and InAsSb grown by organometallic vapor phase epitaxy" // J. Appl. Phys. 1990. - V.67, N 11. - P. 7034-7039.

7. Корицкий Ю.В., Пасынков B.B., Тареев Б.М. «Справочник по электротехническим материалам». Т. 3, Л.: Энергоатомиздат. 1988, 728 с.

8. Heller, М. W. and R. G. Hamerly, «Hole transport in gallium antimonide»// J. Appi. Phys. 1985. - V.57, N 10. - P. 4626-4632.

9. Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, A.H. Именков, Ю.П. Яковлев «Светодиоды на основе твердых растворов GaSb для средней инфракрасной области спектра 1.6-4.4 мкм. Обзор»//ФТП.-2005.-Т.39. В.11. С.1281-1311.

10. M.P.Mikhailova, A.N.Titkov "Type II heterojunctions in the GalnAsSb/GaSb system" // Semicond. Sci. Technol. 1994. - V.9. - P.1279-1295.

11. Handbook Series on Semiconductor Parameters. V.2. M. Levinshtein, S. Rumyantsev and M. Shur, ed., World Scientific, London. 1999, P. 180-205.

12. Воронина Т.И., Джуртанов Б.Е., Лагунова T.C., Сиповская М.А., Шерстнев В.В. и Яковлев Ю.П. "Электрические свойства твердых растворов на основе GaSb (GalnAsSb, GaAlSb, GaAlAsSb) в зависимости от состава" // ФТП. 1998. -Т.32. В.З. - С.278.

13. Воронина Т.И., Лагунова Т.С., Михайлова М.П., Сиповская М.А., Шерстнев В.В. и Яковлев Ю.П. "Электрические и фотоэлектрические свойства узкозонных твердых растворов GalnSbAsrMn" // ФТП. 1991. - Т.25. В.2. - С.276-282.

14. M.P.Mikhailova, A.A.Rogachev, and I.N.Yassievich "Impact ionization and Auger Recombination in InAs" // Sov. Phys. Semicon. 1976. - V.10. - P.866.

15. M.P. Mikhailova, I.A. Andreev "High-speed avalanche photodiodes for the 2-5 jim Spectral Range" in "Mid-infrared semiconductor optoelectronics" ed.by A. Krier, Springer. -2006. P.547-592.

16. И.А. Андреев, М.П. Михайлова, C.B. Мельников, Ю.П. Сморчкова, Ю.П. Яковлев «Лавинное умножение и коэффициенты ионизации в GalnAsSb» // ФТП. — 1991. — Т.25. В.8. С.1429-1436.

17. Vurgaftmana, J. R. Meyer, L. R. Ram-Mohan «Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys»// J. Appi. Phys. 2001. - V.89. N11.- P.5815-5875.

18. Алферов Ж.И. «Гетеропереходы в полупроводниках и приборы на их основе» // «Физика и жизнь», С.-Петербург: изд. «Наука». 2000, 255 с.

19. Kroemer Н. and Griffiths G Electron Device Lett. 1983. - V.4. - P. 20.

20. Wilson B. "Carrier dynamics and recombination mechanisms in staggered-alignment heterostructures" // IEEE J.Quantum Electron. 1988. - V.24. -P.1763-1777.

21. Melnikova Yu. S. Fiz.Tekh.Poluprovodn. 1980. - V.14. - P.1763.

22. Dohler G. "Electron-hole subbands at the GaSb-InAs interface" // Surf.Sci. 1980. -V.98. - P.108-116.

23. Caine E.Y., Subbana H., Kroemer H., Metz Y.L. and Cho A.Y. "Staggered-lineup heterojunctions as sources of tunable below-gap radiation: Experimental verification" // Appl.Phys.Lett. 1984. V.45. - P.l 123.

24. Титков А.Н., Чебан В.Н., Баранов А.Н., Гусейнов А.А. и Яковлев Ю.П. «Природа спонтанной электролюминесценции гетероструктур II типа GalnAsSb/GaSb» // ФТП. -1990. Т.24. - С. 1056-1061.

25. Baranov A.N., Imenkov A.N., Mikhailova М.Р., Rogachev A.A., Titkov A.N. and Yakovlev Yu.P. "Staggered-lineup heterojunction in the system of GaSb-InAs" // Superlatt. Microstruct. 1990. - V.8. N 4. - P.375.

26. Баранов A.H., Джуртанов Б.Е., Именков A.H., Рогачев А.А., Шерняков Ю.П. и Яковлев Ю.П. «Генерация когерентного излучения в квантово-размерной структуре на одном гетеропереходе» // ФТП. 1986. - Т.20. В.12. - С.2217-2221.

27. Андаспаева А., Баранов А.Н., Гусейнов А.А., Именков А.Н., Литвак A.M., Филаретова Г.М. и Яковлев Ю.П. «Высокоэффективные светодиоды на основе InGaAsSb (1=2.2 мкм, Г|=4%, Т=300 К)» // Письма в ЖТФ. 1988. - Т.14. В.9. - С.845-849.

28. Mebarki М., Kadri A. and Mani Н. "Electrical characteristics and energy-band offsets in n-InAso.89Sbo.11/n-GaSb heterojunctions grown by liquid phase epitaxy technique" // Solid State Commun. 1989. - V.72. - P.795-798.

29. S. Maimona, G. W. Wicks "nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature" // Appl.Phys.Lett. 2006. -V. 89. - P. 151109-01 -151109-03.

30. Dowson P., Wilson B.A., Tu C.W. and Miller R.C. "Staggered band alignments in AlGaAs heterojunctions and the determination of valence-band offsets" // Appl.Phys.Lett. -1986. V.48. - P.541-543.

31. Lugagne-Delpon E., Voisin P., Voos M. and Andre Y.P. "Observation of laser emission in an InP-AUnAs type II superlattice" // Appl.Phys.Lett. 1992. -V.60. - P.3087.

32. Ohno H., Esaki L. and Mendez E.E. "Optoelectronic devices based on type II polytype tunnel heterostructures" // Appl.Phys.Lett. 1992. - V.60. - P.3153.

33. Liu L., Lee G.S. and Marshak A.H. "Band structure of InAsSb strained-layer superlattices" // J. Appl.Phys. 1992. - V.71. - P.l842-1845.

34. Афраилов M.A., Баранов A.H., Дмитриев А.П., Михайлова М.П., Сморчкова Ю.П., Тимченко И.Н., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П. и Ясиевич И.Н. «Узкозонные гетеропереходы II типа в системе твердых растворов GaSb-InAs» // ФТП. 1990. - Т.24. В.8. - С.1397-1406.

35. J. В. Rodriguez, E. Plis, G. Bishop, Y. D. Sharma, H. Kim, L. R. Dawson, and S. Krishna "nBn structure based on InAs/GaSb type-II strained layer superlattices"// Appl.Phys.Lett.-2007.-V.91. P. 043514-01 -043514-02.

36. Krijn M. "Heterojunction band offsets and effective masses in III-V quaternary alloys" // Semicond. Sci.Technol. 1991. - V.6. - P.27-31.

37. Nakao M., Yoshida S., and Gonda S. "Heterojunction band discontinuities of quaternary semiconductor alloys" // Solid State Commun. 1984. - V.49. N 7. - P.663.

38. Баранов A.H., Гусейнов A.H., Рогачев A.A., Титков А.Н., Чебан В.Н. и Яковлев Ю.П. «Локализация электронов на гетерогранице II типа» // Письма в ЖЭТФ. 1988. -Т.48. В.6. - С.342.

39. A.N. Titkov, Yu.P. Yakovlev, A.N. Baranov, V.N. Cheban, «Spontaneousluminescence in a type II GalnAsSb/GaSb heterojunction» // Proc. SPIE. 1990. -V. 1361. - P.669-676.

40. Бреслер M.C., Гусев O.B., Титков A.H., Чебан В.Н. и Яковлев Ю.П. «Излучательная рекомбинация на гетеропереходе II типа n-GalnAsSb/N-GaSb» // ФТП. -1993. — Т.27. В.4. С.615.

41. Б.Е. Журтанов, К.Д. Моисеев, М.П. Михайлова, Т.Н. Воронина, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев «Бистабильность электролюминесценции в двойной гетероструктуре II типа AlGaAsSb/InGaAsSb» // ФТП. 1999. - Т.ЗЗ. В.З. - С.357-361.

42. Покровский Я.Е. (ред.) «Излучательная рекомбинация в полупроводниках», М: «Наука», 1972. 304 с.

43. Зи С. «Физика полупроводниковых приборов». Кн.1, М.: «Мир», 1984. 456 с.

44. Landsberg Р.Т., Beattie A.R. "Auger effect in semiconductors" // J.Phys.Chem.Sol. -1959.-V.8. N.l. P.73-75.

45. Г.Г. Зегря, B.A. Харченко «Новый механизм оже-рекомбинации неравновесных носителей тока в полупроводниковых гетероструктурах» // ЖЭТФ. 1992. - Т.10. В. 1. -С.327-343.

46. Zegrya G.G. and Andreev A.D. "Mechanism of suppression of Auger recombination processes in type-II heterostructures" // Appl.Phys.Lett. 1995. - V.67. N.18. - P.2681-2683.

47. Г.Г. Зегря, А.Д. Андреев «Механизм подавления процессов оже-рекомбинации в гетероструктурах II типа» // ЖЭТФ. 1996. - Т. 109. В. 2. - С. 615.

48. Зегря Г.Г., Михайлова М.П., Данилова Т.Н., Именков А.Н., Моисеев К.Д., Шерстнев В.В. и Яковлев Ю.П. «Подавление оже-рекомбинации в диодных лазерах на основе гетеропереходов II типа InAsSb/InAsSbP и InAs/GalnAsSb» // ФТП. 1999. - Т.ЗЗ. В.З.-С. 351-356.

49. M.R. Murti, В. Grietens, С. Van Hoof, G.J. Borghs. "1.7-1.9 цш InxGai-xAs/InyA11-yAs light-emitting diodes lattice-mismatched grown on GaAs" // J. Appl. Phys. 1995. - V.78. N. 1. - P. 578.

50. Berger P., Chang K., Bhattacharya P. and Singh J. "Role of strain and growth conditions on the growth front profile of InxGai.xAs on GaAs during the pseudomorphic growth regime" Appl.Phys.Lett. 1988. - V.53. - P.684-686.

51. JI.M. Долгинов, JI.B. Дружинина, М.Г. Мильвидский, M. Мухитдинов, Э.С. Мусаев, В.М. Рожков, Е.Г. Шевченко. «Применение светодиодов на основе GalnAsSb для измерения влажности»// Измерительная техника. 1981. - В.6. - С.29-31.

52. Андаспаева А.А., Баранов А.Н., Гусейнов А.А., Именков А.Н., Колчанова М.А., Яковлев Ю.П. «Природа спонтанной электролюминесценции в гетеропереходах на основе GalnAsSb для спектрального диапазона 1.8-2.4 мкм»// ФТП. 1990. - Т.24. В. 10. -С. 17081714.

53. Попов А.А., Шерстнев В.В. и Яковлев Ю.П. «Светодиоды, излучающие на 1.94 мкм для измерения влажности» // Письма в ЖТФ. — 1997. — Т.23. С.19-24.

54. Гельмонт Б.Л., Зегря Г.Г. «Электромагнитная теория инжекционного лазера с одним гетеропереходом»// ФТП. 1988. -Т.22. В.8. - С.1381-1386.

55. Попов А.А., Степанов М.В., Шерстнев В.В. и Яковлев Ю.П. «Светодиоды, излучающие на 3.3 мкм для измерения метана» // Письма в ЖТФ. 1997. - Т.23. - С.24-31.

56. Krier A., Gao Н.Н., Sherstnev V.V. and Yakovlev Yu.P., "High power 4.6 m light emitting diodes for CO detection" // J.Phys.D: Appl.Phys. 1999. - V. 32. - P. 3117-3121.

57. Krier A.and Sherstnev V.V. "A novel LED module for the detection of H2S at 3.8 |im" // J.Phys.D: AppLPhys. 2000. V.33. - P.101-106.

58. S. Desmond Smith, J. Graham Crowder, Harvey R. Hardaway "Recent developments in the applications of mid-infrared lasers, LEDs and other solid state sources to gas detection" // Proc. SPIE. 2002. V.4651. - P.157-172.

59. Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, C.A. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь «Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия. Обзор»// ФТП. 2008. - Т.42. В.6. -С.641-657.

60. Н.П. Есина, Н.В. Зотова, Д.Н. Наследов «О механизме излучательной рекомбинации р-п переходов в арсениде индия» // ФТП. 1968. - В.2. Т.З. - С.370-373.

61. О.А. Аллаберенов, Н.В. Зотова, Д.Н. Наследов, Л.Д. Неуймина «Фото-люминвстенция n-InAs»// ФТП 1970. - Т.4. В.10. - С.1939-1942.

62. Н.П.Есина Н.В.Зотова, Б.А.Матвеев, Н.И.Стусь, Г.Н.Талалакин, Т.Д.Абишев «Длинноволновые неохлаждаемые светодиоды на основе твердых растворов InAsSbP» // Письма в ЖТФ. 1983. - Т.9. В.7. - С.391 - 395.

63. S.D. Smith, J.G. Crowder, H.R. Hardaway "Recent developments in the applications of mid-infrared lasers, LEDs and other solid state sources to gas detection" // Proc. SPIE. 2002. -V.4651.-P.157-172.

64. Н.Д.Стоянов, Б.Е.Журтанов, А.Н.Именков, А.П.Астахова, М.П.Михайлова, Ю.П.Яковлев «Высокоэффективные светодиоды на основе тиристорной гетероструктуры II типа n-GaSb/p-GaSb/n-GalnAsSb/P-AlGaAsSb» // ФТП. 2008. - Т.42. В.4. С. 468-472.

65. A. Krier and V.V. Sherstnev "Powerful interface light emitting diodes for methane gas detection" // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. - T.33. - P.101-106.

66. Данилов Л.В, Зегря Г.Г. «Теоретическое исследование процессов оже-рекомбинации в глубоких квантовых ямах» // ФТП. 2008. Т.42. В.5. - С.566-572.

67. А.С.Головин, А.П.Астахова, С.С.Кижаев, Н.Д.Ильинская, О.Ю.Серебренникова, Ю.П.Яковлев «Светодиоды на основе гетероструктур InAs/InAsSb для спектроскопии СОг (к=4.3 мкм)» // Письма в ЖТФ. 2012. - Т.36. В. 1. - С. 105-110.

68. J. Singh "Electronic and Optical Properties of Semiconductor Structures" // Cambridge Univ.Press. 2003.

69. Е.А. Гребенщикова, Н.В. Зотова, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев «InAs/InAsSbP светоизлучающие структуры, выращенные методом газофазной эпитаксии» // ФТП. 2001. - Т.71. В.9. - С. 58-60.

70. Стоянов Н.Д. «Свето диоды и фото приемники для средней ИК-области спектра на основе изопериодных гетероструктур II типа в системе GaSb-InAs»: Дисс. канд. физ.-мат. наук / ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Глава 2. С.-Петербург, 2004. - 172 с.

71. Н.А. Пихтин, С.О. Слипченко, З.Н. Соколова, И.С. Тарасов. «Внутренние оптические потери в полупроводниковых лазерах»// ФТП 2003. Т.38. В.З. - С. 374.

72. L. Esaki. «New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions» // Phys. Rev. -1958. — V.109. P.603-604.

73. B.H. Rhoderick. Metal-Semiconductor Contacts. London Oxford, 1980.

74. А. Берг, П. Дин «Светодиоды». М.: «Мир». Пер. с англ.: A.A. Bergh, P.J. Dean. Light-emitting diodes (Claredon Press, Oxford, 1980).

75. J.R. Dixon, J.M. Ellis "Optical properties of n-type indium arsenide in the fundamental absorption edge region" // Phys. Rev. 1961. V.l24. - P. 1231.

76. О.Аллаберенов, Н.В. Зотова, Д.Н. Наследов, Л.Д. Неуймина. «Фотолюминесценция n-InAs»// ФТП. 1970. Т.4. В. 10. - С. 1939-1942.

77. M.J. Kane, G. Braitnwaite, М.Т. Emeny, D. Lee, Т. Martin, D.R. Wright. «Bulk and surface recombination in InAs/AIAso.i6Sbo.84 3.45 цт light emitting diodes» // Appl. Phys. Lett.- 2000. V.76. P.943.

78. М.З. Жингарев, В.И. Корольков, М.П. Михайлова Sov.Tech.Phys.Lett. 1980. Т.6. В.6. С. 376.

79. К. Tanabe "Enhanced energy conversion efficiencies of solar cells by multiple carrier excitation" // El. Lett.- 2007. V.43. N18 P.998-999.

80. P. Landsberg, H. Nussbaumer, G. Willeke "Band-band impact ionization and solar cell efficiency" // JAP. 1993. - V.74. N.2. - P. 1451-1452.

81. J. Tauc, A. Abraham "The quantum efficiency of the internal photo-electric effect in indium antimonide" // Czech.J.Phys. 1959. - V.9. - P.95-100.

82. A.B. Волков, B.B. Галаванов, A.A. Гуткин, O.B. Косогов, С.Е. Кумеков «Рассеяние энергии электронов в InSb вблизи порога ударной ионизации» // ФТП. 1973.- T.I. В.7. С.95.

83. А.А. Гуткин, Э.М. Магеррамов, Д.Н. Наследов, М.П. Михайлова «Спектры фоточувствительности InAs р-n переходов в области энергий фотонов 0.9-5.5 эВ» // ФТТ. -1966. Т.8. С.2044.

84. А.Р. Dmitriev, М.Р. Mikhailova, I.N.Yassievich "Impact ionization in A3B5 semiconductors in high electric field" // Phys.stat.sol. (b). 1987. V.140. P.9-37.

85. М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Т.Н. Воронина, Т.С. Лагунова, Ю.П. Яковлев «Переход от разъединенного гетероперехода II типа к ступенчатому в системе GalnAsSMnAs(GaSb)» // ФТП. 2007. - Т.41. В.2. - С. 166.

86. Н. Kroemer "The 6.1 Angstrom family (InAs, GaSb, AlSb) and its heterostructures: a selective review" // Phys. E. 2004. - V.20. P. 196-203.

87. D. Barate, R. Teissier, Y. Wang, and A.N. Baranov "Short wavelength intersubband emission from InAs/AlSb quantum cascade structures" // Appl. Phys. Lett. 2005. - V.87. -P.051103.

88. R. Teissier, D. Barate, Y. Devinson, A.N. Baranov, X. Marcadet, C. Bernard, and C. Sirtory // Inst. Phys. Confer. 2005. - V.l87. - P.307.

89. S. Sasa, M. Nakai, M. Furukava, and M. Inoe // Inst. Phys. Confer. 2005. - V.l87. -P.363.

90. Данилов Л.В., Зегря Г.Г. «Пороговые характеристики ИК-лазера на основе глубоких квантовых ям InAsSb/AlSb» // ФТП. 2008. - Т.42. В.5. - С. 573.

91. A.F.M. Anwar and R.T. Webster // Solid-State Electron 1998. - V.42. - P.2101.

92. V.A. Solovev, Ya.V. Terentev, A.A. Toropov, B.Ya. Meltser, A.N. Semenov, S.V. Ivanov, P.S. Kopev, and J.R. Meyer // J. Cryst. Growth. 2003. - V.251. - P.538.

93. M.J. Yang, B.R. Bennett, M. Fatemi, P.J. Lin-Chung, W.J. Moore, and C.H. Yang "Photoluminescence of InAsl-xSbx/AlSb single quantum wells: Transition from type-II to type-I band alignment" // J. Appl. Phys. 2000. - V.87. - P.8192.

94. G.G.Zegrya in: Antimonide Related Strained Layer Heterostructures, ed. by M.O. Manasreh (Gordon and Breach Sciense Publishers, Amsterdam) 1997.

95. Г.Г. Зегря, A.C. Полковников «Механизмы оже-рекомбинации в квантовых ямах» //ЖЭТФ,- 1998. -Т.113. В.4.-С.1491-1521.

96. F. Capasso, W.T. Tsang, A.L. Hutchinson, and G.F. Williams "Enhancement of electron impact ionization in a superlattice: A new avalanche photodiode with a large ionization rate ratio" // Appl. Phys. Lett. 1982. V.40. - P.38.

97. И.А.Андреев, Н.Д.Ильинская, Е.В.Куницына, М.П.Михайлова, Ю.П.Яковлев «Высокоэффективные фотодиоды на основе GalnAsSb/GaAlAsSb для спектрального диапазона 0.9-2.55 мкм с большим диаметром чувствительной площадки» // ФТП. 2003. -Т.37. В.8. - С.974-979.

98. А.Н. Баранов, А.Н.Именков, А.И. Колесников, М.П. Михайлова, B.JI. Шутов, Ю.П. Яковлев, «Измерение влажности бумаги с помощью согласованнойоптоэлектронной пары излучатель-фотоприемник»// Бум. Промышленность. 1989. В.9. -С. 20-21.

99. M.Maksjutenko, A.Maksyutenko, V.Tolstinskiy, M.Mikhailova, V.Sherstnev, A.Astakhova, N.Stoyanov and Yu.P.Yakovlev «Application of 3.23 LEDs in Portable Gas Analyser for CH4 detection» // Proceeding MIOMD III Aachen. 1999.

100. N. Stoyanov «Laser and LED scanning systems for gas and liquid on-line monitoring» // LED & Semiconductor Lighting Seminar, Seoul, South Korea. 2005. - P.DIMS.

101. Каталог HITRAN: www.cfa.harvard.edu/HITRAN

102. B. Andrews «LED requirements for a downhole optical spectrometer» // Proceeding MIOMD VI. St-Petersburg. 2004. - P.88.