Фотолюминесцентные свойства гетероструктур на основе CdxHg1-xTe с потенциальными и квантовыми ямами, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Горн, Дмитрий Игоревич

• Горн, Дмитрий Игоревич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Горн, Дмитрий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

1 Аналитический обзор литературных источников.

1.1 Метод МЛЭ для получения наноразмерных структур на основе КРТ.

1.2 Технология изготовления наногетероструктур КРТ.

1.3 Фотолюминесценция в структурах КРТ с квантовыми ямами.

1.4 Оптическое поглощение в структурах КРТ с квантовыми ямами.

1.5 Оптоэлектронные приборы на основе квантово-размерных структур КРТ.

1.6 Выводы по главе 1.

2 Физико-математическая модель описания спектральных характеристик структур КРТ с квантовыми ямами.

2.1 Методика расчёта профиля потенциала в гетероструктурах на основе КРТ.

2.1.1 Постановка задачи.

2.1.2 Концентрации носителей заряда в однородном полупроводнике.

2.1.3 Концентрации носителей заряда в квантовой яме.

2.1.4 Неравновесные носители заряда.

2.1.5 Уравнение Пуассона.

2.1.6 Зависимость электронного сродства от состава х в КРТ.

2.1.7 Учёт эффекта размерного квантования в квантовой яме при расчёте профиля потенциала.

2.2 Спектральные характеристики ГЭС КРТ МЛЭ.

2.2.1 Спектральные характеристики структур КРТ с потенциальными ямами.

2.2.2 Спектральные характеристики структур КРТ с квантовыми ямами.

2.3 Методы моделирования рекомбинационных процессов.

2.4 Выводы по главе 2.

3 Расчёт спектральных характеристик гетероструктур КРТ с квантовыми ямами.

3.1 Спектральные характеристики структур КРТ с потенциальными ямами

3.1.1 Оптическое поглощение в объёмном КРТ.

3.1.2 Фотолюминесценция в структурах на основе объёмного КРТ.

3.2 Спектральные характеристики структур КРТ с квантовыми ямами.

3.2.1 Межподзонное поглощение в квантово-размерных структурах на основе КРТ.

3.2.2 Межзонное поглощение в квантово-размерных структурах на основе КРТ МЛЭ.

3.2.3 Фотолюминесценция в структурах КРТ с квантовыми ямами.

3.3 Выводы по главе 3.

4 Экспериментальное исследование фотолюминесценции структур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

4.1 Описание экспериментальной методики.

4.2 Фотолюминесценция структур КРТ с потенциальными ямами.

4.3 Фотолюминесценция структур КРТ с квантовыми ямами.

4.4 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фотолюминесцентные свойства гетероструктур на основе CdxHg1-xTe с потенциальными и квантовыми ямами, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии»

Актуальность темы исследования. В настоящее время важное фундаментальное и практическое научное значение имеет проблема создания инфракрасных излучателей, в том числе лазеров, работающих в диапазоне длин волн 3—14 мкм (средний и дальний инфракрасный диапазон) при температурах выше 77 К [1, 2]. Привлекательность освоения данного спектрального диапазона заключается в том, что в нём расположены два «окна прозрачности» атмосферы с пропусканием до 80—90 %, а также в этом диапазоне расположены колебательно-вращательные линии поглощения молекул и комплексов. В связи с этим подобные устройства могут найти широкое применение в науке, а также при решении различных прикладных задач: в системах зондирования атмосферы и мониторинга окружающей среды (контроль содержания газов СО, СО2, N0*, БОг, СН4 и др.), в технике волоконно-оптической и беспроводной оптической связи, в оптических системах контроля производственных и технологических процессов, в медицинской технике, в промышленных и военных тепловизионных системах и т.д.

В полупроводниковых источниках оптического излучения, основанных на классических принципах, длина волны излучения определяется в основном шириной запрещённой зоны используемого полупроводника. Основной трудностью в разработке ИК-излучателей является повышающаяся доля безызлучательной Оже-рекомбинации по отношению к излучательной рекомбинации избыточных носителей заряда при уменьшении ширины запрещённой зоны. Это приводит к существенному снижению значения внутренней квантовой эффективности излучателя. При этом скорость Оже-рекомбинации также быстро растёт с увеличением температуры, поэтому для её подавления приходится снижать температуру структуры до малых значений (до 77 К и ниже), что налагает существенные ограничения на широкое применение подобных структур в оптоэлектронных приборах.

Именно проблема высоких значений скоростей безызлучательной Оже-рекомбинации является основным сдерживающим фактором на пути к разработке эффективных ИК-излучателей.

В настоящее время существует несколько направлений решения описанной проблемы. Первое направление, связанное с разработкой внутризонных квантовых каскадных лазеров, развивается не слишком интенсивно из-за того, что каскадные многослойные структуры являются крайне сложными с точки зрения изготовления и воспроизведения параметров. Во втором направлении, характеризующемся попытками создания ИК

3 5 излучателей на основе гетеропереходов II типа в материальных системах А В , Оже-рекомбинация значительно подавлена за счёт пространственного разделения областей существования неравновесных электронов и дырок. Это позволяет надеяться на получение с помощью таких структур ИК-излучения при комнатной температуре. Однако пространственное разделение приводит к тому, что вероятность излучения в таких системах существенно уменьшается [3].

Наряду со сказанным выше, сегодня одним из перспективных направлений в области разработки ИК-излучателей является применение в качестве активной области излучателя наноструктур с квантовыми ямами - слоев узкозонного полупроводника толщиной порядка десятков нанометров, ограниченных широкозонными полупроводниковыми слоями - на основе узкозонного твёрдого раствора Cd^Hgi^Te, относящегося к материальной системе А В .

Особенности использования материала КРТ состоят, во-первых, в том, что он обла

-1 с дает рядом фундаментальных преимуществ по сравнению с соединениями

А В и, вовторых, определяются достигнутым в последние годы высоким уровнем разработанности технологии выращивания данного материала - метода молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющего производить гетероструктуры, в том числе и наногетероструктуры, очень высокого качества.

Помимо ряда преимуществ использования квантовых ям в излучателях, их применение при определённых условиях позволяет существенно снизить скорость Оже-рекомбинации за счёт изменения функции плотности электронных состояний в КЯ и появления запретов на некоторые типы оптических переходов. Например, ещё в [4] было теоретически показано, что применение квантовых ям на основе КРТ может позволить снизить скорость безызлучательной Оже-рекомбинации в несколько десятков раз.

Полупроводниковые наноструктуры с квантовыми ямами являются относительно новыми объектами исследований и к настоящему моменту многие аспекты их физических свойств изучены крайне слабо. Это является одним из основных сдерживающих факторов для развития различных направлений практического применения квантовых ям в целом и разработки ИК-излучателей на их основе в частности. В рамках обозначенной проблемы наиболее значимым и актуальным является решение ряда фундаментальных задач, связанных с описанием и прогнозированием свойств наноструктур КРТ с квантовыми ямами. Их решение позволит сформировать фундаментальный базис, позволяющий производить описание и выращивание структур КРТ с квантовыми ямами и успешно воспроизводить их параметры.

Одной из таких фундаментальных задач является исследование фотолюминесцентных свойств структур КРТ с квантовыми и потенциальными ямами с составом х = 0,24— 0,45 мол. дол. Фотолюминесценция полупроводниковых структур с наноразмерными включениями является мощным инструментом исследования параметров зонной диаграммы полупроводниковых структур и характеристик энергетического спектра носителей заряда. Наряду с этим, исследования фотолюминесценции напрямую дают основу для разработки полупроводниковых светоизлучающих устройств.

Состояние вопроса. В первых работах, посвященных исследованиям структур КРТ с квантово-размерными эффектами, рассматривались преимущественно сверхрешёточные структуры, состоящие из чередующихся размерно-квантованных полупроводниковых слоёв [5—19]. Изготавливались в основном сверхрешёточные структуры HgTe / CdTe, HgTe / CdHgTe, в которых в качестве узкозонного слоя выступал HgTe, и большая часть опубликованных работ посвящена именно рассмотрению сверхрешёток III типа. Есть работы (например [6]), в которых рассматриваются структуры CdHgTe / CdTe, однако состав узкозонного слоя здесь, как правило, имеет большие значения (х = 0,85 для работы [6]).

Развитие сверхрешёточных структур стимулировало исследования структур с одиночными и множественными квантовыми ямами, в которых в качестве узкозонного слоя выступает бесщелевой HgTe [6]. Структуры с множественными квантовыми ямами отличаются от сверхрешёток толщиной барьерного слоя, которая превышает среднюю длину туннелирования электронов через барьер, что делает его непрозрачным для электронов и не приводит к образованию минизон. В настоящее время достигнуты значительные успехи в исследовании оптических свойств данных структур, а также их практических приложений. Данному направлению, как и исследованиям сверхрешёток HgTe/CdTe, посвящено достаточно большое количество работ [20—27]. Однако эти структуры не подходят для изготовления излучателей ИК-диапазона.

Для разработки эффективных излучателей среднего и дальнего ИК-диапазона необходимы исследования оптических свойств структур с КЯ и, главным образом, структур с одиночными КЯ, в которых в качестве узкозонного слоя выступает КРТ с составом х = 0,2—0,4 мол. дол. При этом исследованиям оптических свойств структур с одиночными квантовыми ямами на основе КРТ с х = 0,2—0,4 посвящено крайне мало работ. Также важным моментом является то, что большинство из этих работ являются чисто экспериментальными.

В настоящее время в мире есть несколько научных коллективов, занимающихся разработками данной проблемы. В частности, работы [28—30], выполненные объединённой группой учёных из различных научных организаций Норвегии, посвящены исключительно экспериментальным исследованиям. Имеется также ряд публикаций, выполненных сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург) под руководством К.Д. Мынбаева. Это, например, работы [31—33], в которых наряду с экспериментальными данными рассматриваются вопросы интерпретации наблюдаемых результатов на основе теоретического анализа.

В работах [34—35], выполненных группой из Института физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины (г. Киев) под руководством профессора Ф.Ф. Сизова, проведено теоретическое рассмотрение и исследование оптических свойств структур с квантовыми ямами на основе КРТ.

Из проведённого анализа состояния вопроса по теме исследования можно сделать вывод о том, что в настоящее время имеется значительный недостаток теоретических исследований фотолюминесцентных свойств структур на основе КРТ с одиночными квантовыми ямами с составом х = 0,2—0,4. Нет разработанных физико-математических моделей, учитывающих параметры и особенности конкретных гетероструктур, выращенных методом МЛЭ, и позволяющих количественно интерпретировать экспериментальные данные, а также производить прогнозирование оптических характеристик и параметров гетроэпи-таксиальных структур a priori до выращивания.

Целью данной диссертационной работы является создание физико-математической модели фотолюминесценции наногетероэпитаксиальных структур на основе материала CdxHgixTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, включающих в себя одиночные потенциальные и квантовые ямы, учитывающей наличие размерного квантования в области квантовой ямы, а также получение с помощью данной модели основных закономерностей формирования спектров фотолюминесценции в рассматриваемых структурах.

Для достижения поставленной в работе цели сформулируем основные научные задачи исследовании:

1. Разработка физико-математической модели зонной диаграммы и оптических характеристик легированных гетероструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава по координате, включающих потенциальные и квантовые ямы.

2. Разработка программного обеспечения, позволяющего проводить моделирование зонных диаграмм, расчёт уровней размерного квантования, времён жизни носителей заряда для основных рекомбинационных процессов и спектров фотолюминесценции в легированных наногетероструктурах КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

3. Моделирование спектров фотолюминесценции легированных наногетерострук-тур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

4. Определение основных факторов (состав, толщины слоев, температура), влияющих на спектры фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также выявление закономерностей влияния данных

Лоь-ггтпо и я им л гттртгтппп

WAV i- V V/ JJ XXM VXA^XV Л. w 1# •

5. Экспериментальное измерение спектров фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

6. Сравнение результатов расчёта спектральных характеристик фотолюминесценции с применением разработанного программного обеспечения с экспериментальными данными.

Сама постановка научных задач в обозначенном контексте, а также её реализация, в том числе учёт ряда параметров материала КРТ, не принимавшихся в расчёт ранее, делает подобную работу новой для КРТ и позволило получить результаты, соответствующие мировому уровню.

Поскольку в рамках данной работы рассматриваются гетероэпитаксиальные структуры на основе материала КРТ с потенциальными и квантовыми ямами, выращенные методом МЛЭ на установке «Обь-М» в Институте физики полупроводников (ИФП) СО РАН, сформулируем основные особенности объекта исследования. Объектом исследований данной диссертационной работы являются гетероэпитаксиальные структуры CdvHgiYTe, выращенные методом молекулярно лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН г. Новосибирск в лаборатории технологии эпитаксии из молекулярных пучков соединений А2В6. Подложка - пластина GaAs с ориентацией поверхности (013), толщиной 400 мкм. Буферный слой

ZnTe служит для сохранения ориентации поверхности при дальнейшем росте слоя CdTe. Типичная толщина слоя ZnTe - 25—53 нм, буферного слоя - CdTe 5,2—6,8 мкм. Далее следует активная область гетероструктуры, которая может быть окружена варизонными слоями для согласования параметров решётки и уменьшения влияния поверхностных явлений на рекомбинационные процессы. Толщина активного слоя может варьироваться в широких пределах - от десятков нанометров, до десятков микрометров. В активной области располагаются наногетероструктуры - последовательность эпитаксиальных слоев КРТ различных составов (х = 0,24—0,45 мол. дол.), образующих потенциальные или квантовые ямы. Толщины слоев, образующих потенциальные ямы, в рассматриваемых нами структурах, лежат в диапазоне 50—1100 нм. Для случая квантовых ям типичная толщина узкозонного слоя - порядка 10—20 нм. Отдельные участки активной области могут быть легированы индием для управления концентрацией электронов в КРТ я-типа проводимости. На активную область наносится пассивирующее покрытие, в качестве которого могут выступать слои анодно-окисной пленки, CdTe или Si02/Si3N4.

Исходя из поставленной цели, предметом исследования данной диссертационной работы определим спектры фотолюминесценции наногетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами.

Как было сказано ранее, проблема исследования фотолюминесценции гетерострук-тур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами в обозначенном нами контексте практически никем не разрабатывалась.

Методы исследования выбирались, исходя из обозначенных выше научных задач.

1. Описание зонной диаграммы и оптических характеристик легированных гете-роструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава по координате, включающих потенциальные и квантовые ямы, производится с помощью физико-математической модели, имеющей как феноменологические, так и квантово-механические предпосылки. В основу модели положено определение энергетических состояний носителей заряда в КЯ путём нахождения самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера. При этом, для увеличения точности расчёта в модели учтён ряд параметров материала КРТ и их зависимостей от состава х и температуры, которые ранее не были описаны в литературе.

Определение композиционных зависимостей ионизированных центров в КРТ производится феноменологически - исходя из экспериментальных данных. Зависимость электронного сродства от состава определяется на основании зависимости от состава уровня электронейтральности в КРТ, которая, в свою очередь, рассчитана из первых принципов авторами других работ.

2. Разработка программного обеспечения, реализующего созданную физико-математическую модель и позволяющего проводить моделирование зонных диаграмм, расчёт уровней размерного квантования, времён жизни носителей заряда для основных рекомбинационных процессов и спектров фотолюминесценции в легированных наногетероструктурах KPT МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, производится в среде программирования Delphi 6.

3. Моделирование спектров фотолюминесценции легированных наногетерострук-тур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также исследование влияния на спектры различных факторов (состав, толщины слоев, температура), производятся с использованием персональной ЭВМ.

4. Измерения спектров фотолюминесценции легированных гетероструктур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами проводились в диапазоне температур 84— 300 К при оптической накачке полупроводниковым лазером с длиной волны 0,808 мкм с плотностью мощности накачки 180—2100 Вт/см .

5. Верификация расчетных данных, полученных с применением разработанного программного обеспечения, производится путём сравнения результатов расчёта с экспериментальными данными. При этом доверительные интервалы оцениваются для каждого измерения на основании расчёта погрешности прямых измерений.

На настоящий момент в научной литературе нет сообщений о проведении подобных исследований для материала КРТ, и такая постановка задачи является полностью оригинальной.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В полупроводниковом твёрдом растворе Cd(Hg].xTe зависимость электронного сродства х от стехиометрического состава х в интервале (0,16—1,00) мол. дол. и температуры Т в интервале (4,2—300) К имеет вид:

Х(х, Т) - 5,59-1,29х + 0,54х2 - 0,56х3 + 7,13 • 10-4 Тх [эВ].

2. Физико-математическая модель, основанная на численном решении задачи о нахождении совместного решения уравнений Пуассона и Шрёдингера, учитывающая зависимость электронного сродства от состава х и температуры Т, а также композиционные зависимости концентраций ионизированных донорных центров N*d в нелегированном и акцепторных центров N~ в вакансионно-легированном КРТ, для гетероэпитаксиальных структур на основе твёрдого раствора Cd.vHgi.xTe, включающих потенциальные (толщиной 50—1100 нм) или квантовые (толщиной 10—20 нм) ямы с составом х = 0,24—0,45 мол. дол. и барьерные слои с составом х = 0,50—0,80 мол. дол., легированные индием с концентрацией

1015—1017 см"3 даёт результаты расчёта положения пиков фотолюминесценции, не более чем на 30 мэВ (10 %) отличающиеся от наблюдаемых в эксперименте при температурах 77—300 К.

3. В гетероэпитаксиальной структуре на основе твёрдого раствора CdxHg|.vTe, включающей квантовую яму толщиной 12,5±1,0 нм и составом х = 0,240±0,001 мол. дол., окружённую барьерными слоями толщиной 31,5+1,0 нм (нижний барьер) с составом х = 0,790±0,001 мол. дол. и 27,0±1,0 нм (верхний барьер) с составом х = 0,800±0,001 мол.

15 3 дол., легированными индием с концентрацией 1—3-10 см" , выращенную методом моле-кулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs (013) с буферным слоями CdTe/ZnTe и покрытую слоем CdTe толщиной 40,0+1,0 нм, при оптической накачке лазером с длиной волны излучения X = 0,808 мкм и мощностью 1,65 Вт при температуре 84 К в интервале длин волн 2,3—6,5 мкм наблюдается до трёх полос фотолюминесценции, связанных с из-лучательными переходами в квантовой яме.

Достоверность основных результатов и выводов работы обеспечивается их непротиворечивостью и согласием с экспериментальными данными по фотолюминесценции структур с одиночными потенциальными и квантовыми ямами, а также с расчётными и эмпирическими данными, полученными авторами других работ, посвящённых исследованию оптических свойств гетероструктур КРТ, в том числе с квантовыми ямами.

Новизна результатов. Основные результаты диссертационной работы получены впервые. В частности:

- Определена композиционная и температурная зависимости электронного сродства твёрдого раствора CdxHgivTe. Как показано в работе, предложенная зависимость отличается от известных более точным соответствием экспериментальным данным. При этом авторами других работ учитывалась только композиционная зависимость электронного сродства в КРТ, а влияние на его значение температуры не принималось в расчёт.

- Предложена оригинальная модель расчёта зонной диаграммы и спектральных характеристик поглощения и фотолюминесценции легированных гетероструктур на основе КРТ с произвольным распределением стехиометрического состава, включающих потенциальные и квантовые ямы, основанная на самосогласованном решении уравнений Пуассона и Шрёдингера. Преимуществом предложенной модели является учёт при расчётах и построении профилей энергетических зон зависимости электронного сродства КРТ

AT ЛЛЛТОПО "V TI та» <гттаг»птлтг Т О ТОТУМГО Т/ЛЧИГГТЛТТТТТИ/МТТТГ TV О О ПТТ Л TI* Í ЛЛТОТТ Т/*/"*ТТТТ£ЛТТгГ,Г"ЧОТТТХТХ ТТ/""ЧТТ vj a WW i. uou л п х wviiiw^ui j pDi, u iuiv/i\v ívuiviiivопцпииишл juunwniviuv J. wn хчинции хрицгш ных центров в нелегированном и акцепторных центров в вакансионно-легированном КРТ.

- Теоретически показано, что в структурах с одиночными квантовыми ямами на основе КРТ может наблюдаться одновременно несколько (до трёх) пиков фотолюминесценции в интервале длин волн 2,3—6,5 мкм при температуре 84 К, обусловленных межзонными оптическими переходами между уровнями размерного квантования в квантовой яме, что получило подтверждение в проведённом эксперименте, где впервые удалось наблюдать более одной полосы фотолюминесценции.

Научная ценность проведённых исследований. Результаты настоящего исследования вносят вклад в понимание электронных процессов в полупроводниковых структурах и, в частности, в структурах пониженной размерности. Предложенная в рамках выполнения диссертационной работы теоретическая модель расчёта оптических характеристик в сложных гетероструктурах на основе КРТ позволяет проводить дальнейшие их исследования.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что разработанные методики и полученные результаты могут быть использованы при дальнейших исследованиях, направленных на разработку эффективных оптоэлектронных приборов для среднего (3—5 мкм) и дальнего (8—12 мкм) ИК-диапазонов.

Результаты и материалы диссертационного исследования могут представлять интерес для специалистов в области оптических свойств полупроводников и полупроводниковых наноструктур, а также разработчиков оптоэлектронных приборов на их основе, и могут найти применение при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по аналогичной тематике.

Содержание работы. Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи, излагаются основные положения, выносимые на защиту. В первой главе приведён литературный обзор по теме работы. Рассмотрены вопросы, связанные с изготовлением наногетероструктур на основе КРТ. Проведён обзор работ по фотолюминесценции структур КРТ с КЯ. Вторая глава работы посвящена разработке физико-математической модели описания спектральных характеристик гетероструктур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. В третьей главе приводятся результаты теоретического исследования спектральных характеристик гетероструктур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. В четвёртой главе проводится описание результатов экспериментального исследования структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами, а также теоретический анализ исследуемых структур. В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты, полученные в ходе проведения исследований.

Личный вклад автора работы. При получении результатов данной работы автором внесен существенный вклад, состоящий в следующем: участие в определении методов и подходов к решению задач диссертации, а также интерпретации полученных результатов. Проведение теоретических исследований, разработка расчётных моделей, проведение расчётов и компьютерного моделирования, обработка и анализ полученных результатов выполнялись преимущественно соискателем. Автором работы совместно с научным руководителем осуществлялась постановка цели, задач исследований и методов их решения. Экспериментальные исследования фотолюминесценции структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами проводились в НПП «Карат» (г. Львов, Украина) при непосредственном участии автора работы.

Связь с плановыми работами. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении ряда НИР, в частности (НИР «Исследование и разработка методов контроля электрофизических свойств приповерхностных слоев ГЭС КРТ МЛЭ методами CV-метрии», являющейся составной частью НИР «Разработка промышленной технологии выращивания гетероэпитаксиальных структур теллурида кадмия-ртути дырочного типа проводимости на оптически прозрачных подложках методом молекулярно-лучевой эпи-таксии», шифр «Прозрачность», выполняемой на основании государственного контракта с Минпромторгом России в рамках Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года».); НИР «Исследование зонной диаграммы наноструктур и свойств границы раздела защитный диэлектрик-гетероэпитаксиальный полупроводник КРТ», проводимой на основании государственного контракта от 17 августа 2007 г. №02.523.12.3006 «Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструктур для источников и приемников излучения систем оптического мониторинга», выполняемой в рамках ФЦП «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.»; НИР «Физические принципы создания фоточувствительных и светоизлучающих наногетероструктур КРТ МЛЭ» в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 г. (per. номер 2.1.2/6551), а также НИР «Физические основы технологии полупроводниковых наногетероструктур КРТ МЛЭ для создания приборов ИК микрофотоэлектроники» (per. номер 2.1.2/12459), являющейся продолжением предыдущего проекта; НИР «Исследование полупроводниковых наногетероструктур КРТ МЛЭ для создания приборов ИК микрофотоэлектроники» в рамках Ведомственной программы МинОбрНауки (гос. per. № 01200903846).

Также результаты работы были использованы при выполнении ряда НИР в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг.: НИР «Разработка технологии получения нового полупроводникового материала с промежуточной зоной и фотопреобразователей солнечной энергии на основе наногетероструктур Si-Ge с широкой спектральной характеристикой» (госконтракт П234), НИР «Физические основы технологии создания фотопреобразователей солнечной энергии на основе наногетероструктур А4В4 и А2В6 » (госконтракт П1662), НИР «Оптические системы на основе лазеров с дискретной и плавно перестраиваемой частотой излучения, оптических преобразователей и сверхскоростных полупроводниковых фотодетекторов, и их технологические применения» (госконтракт № 02.740.11.0444), а также НИР «Разработка и иссле-лпняние хяпяктепистик гЬоТОЧУТЧСТПИТеЛКНЫХ элементов на основе CTDVKTVD CdvHöl./Ге с

I 1 I* '1 1 ^ IV л л наноразмерными слоями и структур Si i -AGex с квантовыми точками» (госконтракт П281), в которой автор работы являлся руководителем.

Апробация работы. Основные результаты работы были обсуждены на следующих семинарах и конференциях: на научных семинарах кафедры квантовой электроники и фотоники ТГУ; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008, 2010, 2012 гг.); Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-15» (Кемерово, 2009 г.); международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); международной конференции E-MRS Fall Meeting (Варшава, 2009 г.); Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2009 г.); II Международной школе-конференции молодых учёных «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2009 г.); Всероссийской молодежной научно-технической Интернет-конференции «Новые материалы, наносистемы и нанотехнологии» (2010 г.); Российско-немецком нанофоруме «Nanophotonics und Nanomaterials» (Томск, 2010 г.); Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» и конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.); II Международной научной конференции «Нано-структурные материалы - 2010: Беларусь-Россия-Украина» (Киев, 2010 г.); молодёжной школе-конференции с международным участием «Лазеры и лазерные технологии» (Томск, 2010 г.); XIV Национальной конференции по росту кристаллов и IV Международной конференции «Кристаллофизика XXI века» (Москва, 2010 г.); 5-м Форуме «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy: Symposium and summer school (tutorial lectures)» (Москва-Зеленоград, 2011 г.); Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника-2011» (Новосибирск, 2011 г.); 5 Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-5) (Ужгород, Украина, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования отражены в 29 публикациях, 12 из которых в статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и в зарубежных научных журналах и 17 в сборниках статей и трудов конференций.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Горн, Дмитрий Игоревич

3.3 Выводы по главе 3

В данной главе были проведены теоретические исследования спектральных характеристик структур КРТ с потенциальными и квантовыми ямами. Были проведены расчёты спектров поглощения и фотолюминесценции в структурах с ПЯ и КЯ, проведён анализ влияния различных параметров структуры и условий наблюдения (состав и ширина ямы и барьеров, температура) на вид спектров.

Показано, что применение КРТ, как объёмного, так и структур с квантово-размерным эффектами, позволяет перекрыть почти всю практически значимую часть ИК-спектра - от 0,89 до 20 мкм.

Рассмотрены процессы Оже-рекомбинации в структурах с ПЯ. Продемонстрировано, что параметры структуры и условия работы излучающей структуры, такие как температура, оказывают существенное влияние на скорость Оже-рекомбинации и в то же время оказывают сравнительно слабое влияние на излучательное время жизни вплоть до собственных температур. В связи с этим целесообразно проводить моделирование в первую очередь безызлучательных процессов рекомбинации в объёмном КРТ и оптимизировать структуры и условия эксплуатации с точки зрения увеличения времени жизни при Оже-рекомбинации.

На основании представленных в данной главе работы анализа спектральных характеристик структур КРТ МЛЭ с потенциальными и квантовыми ямами, а также сравнения результатов расчёта спектров люминесценции и поглощения с экспериментальными и теоретическими данными, взятыми из литературных источников, можно сделать вывод о том, что предложенная в данной научной работе методика расчёта спектральных характеристик объёмного КРТ даёт результаты, адекватно описывающие известные на настоящий момент экспериментальные данные. Также разработанная модель вполне согласуется с результатами теоретических расчётов, выполненных авторами других работ. Следует отметить также, что в некоторых случаях предложенная в данной работе методика даёт результаты, с большой степенью точности (до 5 %) соответствующие экспериментальным данным, описанным в литературе. В общем, для рассмотренных в данной главе структур с КЯ на основе КРТ разработанная методика даёт результаты расчёта положения спектральных линий, отличающиеся от экспериментальных данных не более чем на 40 мэВ.

Некоторое несоответствие расчётных и экспериментальных данных может быть объяснено сдвигом экспериментального спектра излучения или поглощения в коротковолновую область по сравнению с теоретическим, связанным с эффектом заполнения разрешённых энергетических состояний вблизи краёв энергетических зон - эффектом Бур-штейна-Мосса.

С другой стороны, сдвиг линии излучения в коротковолновую область спектра при наблюдении фотолюминесценции также может быть обусловлен разогревом образца излучением накачки. При увеличении температуры в КРТ увеличивается значение ширины запрещённой зоны. Также определённый вклад в экспериментальные спектры вносят проявляющиеся примесные центры, являющиеся при определённых условиях активными центрами рекомбинации.

Показано, что доминирующими типами излучательной рекомбинации в структурах КРТ с КЯ являются межзонные оптические переходы с, —» h\ и с, —> /г/,. При этом определяющим фактором, выделяющим тот или иной тип перехода, является отношение скоростей излучательной и Оже-рекомбинации в КЯ, которое для рассмотренных структур и условий наблюдения имеет наибольшие значения, как правило, для перехода с, —> Ых. ямы в процессе роста структуры. Состав, определенный по энергии максимума в спектре фотолюминесценции составляет х = 0,329 мол. дол.

Е, еВ

Рисунок 4.13 - Спектры фотолюминесценции структуры с х = 0,35 мол. дол. при температуре 84 К и различной мощности возбуждения

Изменение состава пленки КРТ 080115 с толщиной

0,8 о о О

0,4

0,3

0,2-----

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Толщина, мкм

Рисунок 4.14 - Профиль состава двойной гетероструктуры с толщиной 0,4 мкм и составом узкозонного слоя х = 0,34 мол. дол. по данным in situ эллипсометрических измерений.

В спектре фотолюминесценции при комнатной температуре наблюдается несколько полос (рисунок 4.12). Максимум длинноволновой полосы фотолюминесценции (0,346 эВ) смещен относительно номинальной ширины запрещенной зоны ямы на 18 мэВ, поэтому можно предположить, что он связан с переходом зона проводимости-акцептор, и этот переход доминирует над межзонным переходом. С другой стороны, ширина запре

На рисунках 4.17 и 4.18 приведены результаты измерений спектров фотолюминесценции рассматриваемой структуры, полученные при различных условиях возбуждения (измерение № 1 - мощность накачки ~ 1,2 Вт, измерение № 2 - мощность накачки ~ 1,65 Вт) из различных образцов одной пластины КРТ.

Зонная диаграмма исследуемой структуры при Г = 84 К изображена на рисунке 4.19. Барьер для электронов в данной структуре имеет величину Ve =0,641 эВ, барьер для дырок Vh =0,331 эВ, ширина запрещённой зоны в яме Е =0,159 эВ.

Cd08Hg02Te Cd024Hg0 76Te Cd08Hg02Te

0,45 0,50 0,55

Координата, мкм

Рисунок 4.19. - Зонная диаграмма структуры КРТ с одиночной квантовой ямой.

Для расчёта параметров зонной диаграммы в данной структуре было проведено уточнение используемой теоретической модели. Был проведен учёт непараболичности энергетических зон электронов, лёгких и тяжёлых дырок через эффективные массы носителей заряда. Также было проведено уточнение выражений для эффективных масс на дне энергетических зон.

При этом для эффективной массы электронов использовалось выражение [147]: тп т.

0) К

П2Е,.

Е8+А°

4.3) где тс (О) - эффективная масса электрона на дне зоны проводимости, Р - матричный элемент оператора импульса, Д0 - энергия спин-орбитального расщепления валентной зоны, ^ = -0,8. Учёт непераболичности производился с использованием выражения [147,146]: тс(Е) = тс{ 0)

1 + 2ЛЧ v EgJ

4.4)

В [197] приведён обзор экспериментальных исследований, посвящённых определению величин эффективной массы лёгких дырок в КРТ. На основании проведённого обзора можно сделать вывод о том, что значения эффективных масс лёгких дырок в КРТ, а также их композиционная и температурная зависимости хорошо описываются аналогичными выражениями для электронов проводимости.

Аналогичное выражение для случая непараболичности имеет место и в случае тяжёлых дырок [198]: ты,(Е) = тнн(0) ЕЛ 1 + 2—

V Е<> У

4.5) где Е0 = 0,096, а эффективная масса на дне зоны тяжёлых дырок предполагалась равной 0,391 т0.

На основании приведённых данных также были рассчитаны скорости излучатель-ной и оже-рекомбинации для основных типов переходов. Результаты расчётов для четырёх типов межзонных переходов в исследуемой квантовой яме приведены в таблице 4.1.

Энергии уровней размерного квантования в рассматриваемой структуре имеют следующие значения: ЕсХ =0,050 эВ, £с2 =0,152 эВ, £¿„=0,042 эВ, Ет= 0,200 эВ,

Еш =0,005 эВ, ЕШ1 =0,016 эВ.