Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Гетеропереходы II типа в полупроводниках А3В5 21
1.1. Типы энергетических диаграмм гетеропереходов в полупроводниках А3ВЭ 22
1.2. Ступенчатые гетероструктуры II типа в системе AlGaAsSb-InAs 26
1.3. Разъединенные гетероструктуры II типа в системе GaSb-InAs 27
1.4. Ступенчатые гетеропереходы II типа GalnAsSb/GaSb 30
1.5. Разъединенные гетеропереходы II типа InGaAsSb/GaSb 40
ГЛАВА 2. Изготовление гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs и установление зонной энергетической диаграммы 43
2.1. Выращивание эпитаксиальных слоев в системе четверных твердых растворов GalnAsSb, изопериодных с подложкой InAs, методом жидкофазной эпитаксии 44
2.1.1. Расчет термодинамических диаграмм фазовых равновесий расплав-твердое тело для системы Ga-In-As-Sb 45
2.1.2. Эпитаксиальные слои твердого раствора GalnAsSb, обогащенного GaSb, изопериодные с подложкой InAs 50
2.1.3. Одиночные гетероструктуры II типа GalnAsSb/InAs с резкой планарной границей раздела 53
2.2. Исследование комбинационного рассеяния в эпитаксиальных слоях четверных твердых растворов Gai xInxAsSb, изопериодных с InAs, для составов х<0.22 62
2.3. Фотолюминесцентные свойства четверных твердых растворов GalnAsSb, изопериодных с InAs 69
2.3.1. Зависимость ширины запрещенной зоны эпитаксиального слоя GalnAsSb, изопериодного с InAs, от состава твердого раствора 70
2.3.2. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора GalnAsSb, изопериодного с подложкой InAs 76
2.3.3. Примесные уровни в запрещенной зоне твердого раствора GalnAsSb, обогащенного GaSb 81
2.3.4. Природные дефекты в твердом растворе GalnAsSb, полученном из расплава, обогащенного атомарным индием 88
2.3.5.Афмфотерная примесь Sn в твердом растворе GalnAsSb, полученном из расплава, обогащенного атомарным индием 92
2.4. Определение зонной энергетической диаграммы разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs 99
2.4.1. Экспериментальное определение типа гетероперехода и величины разрыва энергетических зон на гетерогранице GalnAsSb/InAs 99
2.4.2. Особенности зонной энергетической диаграммы разъединенного гетероперехода II типа p-GalnAsSb/p-InAs 105
ГЛАВА 3. Электронный канал на одиночной разъединенной гетеро границе II типа GalnAsSb/p-InAs и изучение его магнитотранспортных свойств в слабых магнитных полях 111
3.1. Обнаружение электронного канала с высокой подвижностью на разъединенной гетерогранице II типа p-GalnAsSb/p-InAs 113
3.2. Магнитотранспорт в электронном канале в одиночных гетеро-структурах II типа p(n)-GaInxAsySb/p-InAs с различным типом и уровнем легирования четверного твердого раствора 125
3.3. Истощение электронного канала на разъединенной гетерогранице II типа p-GalnAsSb/p-InAs. Роль неоднородности гетерограницы 128
3.4. Магнитотранспорт в электронном канале в одиночных гетероструктурах II типа p-GaInxAsySb/p-InAs с различным составом твердого раствора 0.03<х<0.22 133
3.5. Переход от ступенчатого гетероперехода II типа к разъединенному в гетероструктурах Ga(In)AsSb/InAs(GaSb) в зависимости от состава твердого раствора 137
3.6. Отрицательное магнитосопротивление в разъединенных гетероструктурах GaInxAsySb/p-InAs с большим содержанием Мп в подложке InAs 141
ГЛАВА 4. Квантовый магнетотранспорт электронном канале на одиночной разъединенной гетерогранице II типа p(n)-GaInAsSb/p-InAs 153
4.1. Двумерный электронный канала на одиночной разъединенной гетерогранице II типа p-GalnAsSb/p-InAs 156
4.2. Энергетические подзоны в полуметаллическом канале на гетерогранице p-GalnAsSb/p-InAs 159
4.3. Квантовый эффект Холла в двумерном электронном канале на гетерогранице II типа p(n)-GaInAsSb/p-InAs 167
4.4. Особенности энергетического спектра двумерного электронного канала в присутствии дырочной системы 172
4.5. Квантовый магнитотранспорт в электронном канале на разъединенной гетерогранице II типа в зависимости от легирования твердого раствора 177
4.6. Циклотронно-резонансное поглощение света в двумерном электронном канале на одиночной разъединенной гетерогранице II типа p(n)-GaInxAsySb/p-InAs 185
4.7. Магнитофотолюминесценция в двумерном электронном канале на одиночной разъединенной гетерогранице II типа n-GalnAsSb/p-InAs 190
ГЛАВА 5. Интерфейсная электролюминесценция на одиночной гетерогранице II типа p(n) GaInAsSb/p-InAs 200
5.1. Электролюминесценция в одиночном разъединенном гетеропереходе p-GaIn0.i6As0.22Sb/p-InAs 201
5.2. Механизм излучательной рекомбинации на одиночной разъъединенной гетерогранице II типа 211
5.3. Электролюминесценция в одиночном разъединенном гетеропереходе p-GaIno.i6Aso.22Sb/p-InAs в магнитном поле 219
5.4. Электролюминесценция на гетерогранице II типа p-GaIno.17Aso.22Sb/n-GaIno.83Aso.80Sb 221
ГЛАВА 6. Лазеры для среднего ИК-диапазона 3-4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb-InAs 230
6.1. Туннельно-инжекционный лазер с p-GaIno.17Aso.22Sb/p-InGao.17AsSbo.20 гетеропереходом в активной области 232
6.2. Туннельно-инжекционный лазер с улучшенной температурной характеристикой 241
6.3. Поляризационные характеристики туннельно-инжекционных лазеров 246
6.4. Температурные характеристики порогового тока лазерной структуры и подавление Оже-рекомбинации на разъединенной гетерогранице II типа 252
ГЛАВА 7. Асимметричные лазерные структуры, полученные комбинированной технологией. Сравнительные исследования 258
7.1. Модель асимметричной гетероструктуры 258
7.2. Асимметричная лазерная структура AlGaAsSb/InGaAsSb, полученная методом жидкофазной эпитаксии 263
7.3. Асимметричная гибридная лазерная структура AlGaAsSb/InAsSb/CdMgSe, полученная комбинированным методом моллекулярно-пучковой эпитаксии 268
7.4. Асимметричная гибридная лазерная структура InAsSbP/InAsSb/CdMgSe, полученная комбинированным методом моллекулярно-пучковой эпитаксии и жидкофазной эпитаксии 275
Заключение 287
Список литературы 293
- Разъединенные гетероструктуры II типа в системе GaSb-InAs
- Зависимость ширины запрещенной зоны эпитаксиального слоя GalnAsSb, изопериодного с InAs, от состава твердого раствора
- Истощение электронного канала на разъединенной гетерогранице II типа p-GalnAsSb/p-InAs. Роль неоднородности гетерограницы
- Квантовый эффект Холла в двумерном электронном канале на гетерогранице II типа p(n)-GaInAsSb/p-InAs
Введение к работе
В последние годы гетеропереходы II типа привлекают пристальное внимание исследователей не только своими уникальными физическими свойствами, но и широким использованием их для создания целого ряда новых электронных и оптоэлектронных приборов (малошумящие транзисторы с высокой подвижностью электронов, высокочастотные полевые транзисторы, инфракрасные лазеры, светодиоды и фотодиоды).
Фундаментальное свойство гетероперехода II типа заключается в том, что электроны и дырки пространственно разделены на гетерогранице. Это позволяет в широких пределах управлять оптическими и транспортными свойствами таких гетероструктур и определяет в значительной степени параметры электронных и оптоэлектронных приборов, созданных на их основе. Пространственное разделение носителей в гетеропереходах II типа дает возможность получить излучение с энергией фотона, много меньшей ширины запрещенной зоны каждого из полупроводников, образующих гетеропереход, как было показано впервые Г. Кремером и Г. Грифитсом [1].
Первая реализация квантово-размерного лазера на основе гетероперехода II типа GalnAsSb/GaSb была продемонстрирована сотрудниками ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1986 г. [2]. Это открыло широкие перспективы для создания эффективных когерентных источников света в среднем инфракрасном оптическом диапазоне (2-5 мкм). Данный спектральный диапазон актуален для решения задач лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, систем лазерной дальнометрии, инфракрасных волоконных линий связи, а также медицинских применений и задач экологического мониторинга [3-6]. Однако широкое практическое использование гетероструктур II типа на основе узкозонных полупроводников А3ВЭ до сих пор лимитируется недостаточным пониманием их фундаментальных свойств и ограниченным числом экспериментально
исследованных систем [7]. В настоящей диссертационной работе предпринята попытка, в определенной мере, восполнить этот пробел.
Известно, что гетероструктуры II типа в системе твердых растворов Ga-In-As-Sb могут образовывать гетеропереходы со ступенчатым и разъединенным расположением зон на границе раздела [8-Ю]. Если в гетеропереходе I типа узкозонный полупроводник как бы «вставлен» в широкозонный, и при этом скачки потенциала на гетерогранице направлены в разные стороны, то в ступенчатом гетеропереходе II типа скачки потенциала в зоне проводимости и валентной зоне на границе раздела направлены в одну сторону, и гетероструктура образует «ступеньку».
Фундаментальное отличие разъединенного гетероперехода II типа от ступенчатого выражается в таком расположении энергетических зон на гетерогранице, при котором потолок валентной зоны одного полупроводника расположен по энергии выше дна зоны проводимости другого благодаря большой разнице в величинах электронного сродства этих материалов [11]. В данном случае эта разница превышает ширину запрещенной зоны широкозонного полупроводника, как это было обнаружено впервые на примере системы бинарных соединений GaSb-InAs, где энергетический зазор на гетерогранице составил А=150 мэВ [12].
К моменту начала настоящей работы основные фундаментальные свойства ступенчатых гетеропереходов II типа GaSb/GalnAsSb на основе широкозонных твердых растворов, обогащенных GaSb, были ранее достаточно хорошо изучены [10,13-15]. В то же время, физические свойства разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs вообще мало исследованы. До настоящего времени оптические и электрические свойства разъединенных гетеропереходов II типа исследовались только на одиночных изопериодных гетероструктурах GaSb/InAso.9iSb009 [16-19] или неизопериодных гетероструктур AlGaSb/InAs [20-22], а изучение магнитотранспорта было возможно только на структурах с квантовыми
ямами или сверхрешетками на основе напряженных гетеропереходов Ga(Al)Sb-InAs [23-25].
В настоящей диссертации были проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных (оптических, электрических и магнитотраспортных) свойств разъединенных гетеропереходов II типа, обусловленных особенностями гетерограницы, на примере одиночных изопериодных гетероструктур GalnAsSb/InAs с резкой планарной границей раздела.
Впервые обнаружен электронный канал с высокой подвижностью
носителей (цн~5 0000-70000 см В" с" при 77 К) на одиночной разъединенной гетерогранице II типа p-GalnAsSb/p-InAs, образованной двумя полупроводниками с дырочным типом проводимости [26*]. Особенности магнитотранспорта в электронном канале в слабых и сильных магнитных полях были исследованы в широком интервале температур (2-300 К). В нашей работе было обращено внимание на тот факт, что существует переход от полуметаллического типа проводимости к полупроводниковому для одиночной гетероструктуры в зависимости от положения уровня Ферми относительно энергетического зазора на разъединенной гетерогранице II типа. Показана возможность управления свойствами электронного канала, вплоть до его истощения, в зависимости от состава и уровня легирования твердого раствора [27*,28*].
Изучение квантового магнитотранспорта и резонансного циклотронного поглощения в одиночных гетероструктурах II типа р(п)-GalnAsSb/p-InAs в сильных магнитных полях до 18 Т при низких температурах Т<2 К позволило установить параметры двумерного электронного канала на гетерогранице и определить параметры двумерных носителей в самосогласованных квантовых ямах. Это было первое наблюдение целочисленного квантового эффекта Холла для электронов на
одиночной разъединенной гетерогранице II типа в присутствии дырочной подсистемы [29*].
Обнаружена интенсивная интерфейсная электролюминесценция в разъединенном гетеропереходе II типа p-GalnAsSb/p-InAs в спектральном диапазоне 0.3-0.4 эВ в интервале температур 77-100 К, обусловленная туннельными излучательными переходами электронов через гетерограницу и их последующей рекомбинацией с дырками, локализованными на стороне твердого раствора [30*]. Это позволило предложить и реализовать новый туннельно-инжекционныи лазер с разъединенным гетеропереходом II типа в активной области [31*]. Особенностью такого лазера является слабая температурная зависимость порогового тока и значительное подавление безызлучательной Оже-рекомбинации на гетерогранице II типа, предсказанное ранее Г.Г. Зегря [32].
В настоящей работе была также проанализирована важная роль высоты барьеров на гетерогранице II типа и учтено ее влияние на вероятность интерфейсных рекомбинационных процессов через границу раздела, что позволило предложить использование асимметричных гетероструктур II типа с различной высотой барьеров на гетерогранице для создания квантово-размерных лазеров на основе системы твердых растворов AlGaAsSb/InGaAsSb/InAsSbP.
Актуальность темы связана с интересом к фундаментальным свойствам гетеропереходов II типа и перспективой использования такого типа структур в электронных и оптоэлектронных приборах. Физические явления, обусловленные пространственным разделением носителей и их локализацией в самосогласованных квантовых ямах на одиночной разъединенной гетерогранице II типа, представляют большой интерес для исследователей. Средний ИК диапазон в настоящее время является предметом интенсивных исследований для решения задач экологии, медицинских и военных
применений, диодно-лазерной спектроскопии высоко разрешения, в областях телекоммуникаций и связи.
Целью работы является исследование фундаментальных свойств (оптических, люминесцентных и магнитотраспортных) разъединенных гетеропереходов II типа, обусловленных особенностями гетерограницы, на примере системы GaInAsSb/InAs(GaSb) и создание лазеров для среднего инфракрасного диапазона.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования является система твердых растворов GaSb-InAs, которая позволяет создавать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы в зависимости от состава твердого раствора. Выбор для исследования одиночной гетерограницы обусловлен тем, что в такой системе можно наблюдать квантовые эффекты, обусловленные только взаимодействием электронов и дырок с гетерограницей и неискаженные влиянием других гетерограниц.
Научная новизна работы состоит в обнаружении и исследовании целого ряда новых физических эффектов, оптических и магнитотранспортных, в том числе в сильных магнитных полях, обусловленных особенностями разъединенной гетерограницы II типа. В работе предлагается новый физический подход к созданию лазеров для среднего инфраркасного диапазона 3-4 мкм, а именно туннельно-инжекционных лазеров на основе разъединенных гетеропереходов II типа, где излучательная рекомбинация обусловлена главным образом непрямыми (туннельными) оптическими переходами на гетерогранице II типа.
Научная и практическая значимость. Все полученные автором научные результаты, вынесенные на защиту, являются новыми. Совокупность
решенных в работе проблем сформулирована как решение важной научной и
практической задачи - исследование фундаментальных свойств
гетеропереходов II типа на основе узкозонных полупроводников A3BD,
обусловленных особенностью их гетерограницы, а также и перспективность
их использования для создания электронных и оптоэлектронных приборов
нового поколения. Разработка технологии создания гетероструктур II типа с
совершенной гетерограницей и иследование широкого класса оптических и
магнито-транспортных явлений на примере системе GaSb-InAs позволили
получить убедительные доказательства локализации носителей на
гетерогранице II типа и определить параметры энергетического спектра
двумерных носителей в самосогласованных квантовых ямах. Детальное
исследование электронного канала с высокой подвижностью носителей в
дырочной системе p-GalnAsSb/p-InAs и изучение его свойств в зависимости
от уровня легирования и состава твердого раствора GalnAsSb определили
условия перехода от полуметаллической к полупроводниковой
проводимости. Наблюдение интенсивной интерфейсной
электролюминесценции, обусловленной непрямыми (туннельными) излучательными переходами через гетерограницу II типа, позволило предложить и реализовать туннельно-инжекционный лазер на разъединенной гетерогранице II типа в активной области, работающий в спектральном диапазоне 3-4 мкм. Результаты исследований квантового магнитотранспорта в сильных магнитных полях и обнаружение квантового эффекта Холла в одиночных изопериодных гетероструктурах GalnAsSb/InAs открывают возможность создания инфракрасного лазера, управляемого магнитным полем.
Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, представляют фундаментальный интерес и могут быть использованы при разработке новых приборов оптоэлектроники, а также при фундаментальных исследованиях других гетероструктур II типа, в том числе наноструктур с
квантовыми ямами и квантовыми точками. Результаты исследований могут быть использованы в различных организациях Российской Академии наук (ФТИ им.А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург; ФИАН им.Лебедева, Москва; ИФТТ, Черноголовка; ИПП, Новосибирск; Институт физики микросструктур, Нижний Новгород; Институт общей физики, Москва; ИРЭ, Москва), в ГОИ им. С.В.Вавилова, Санкт-Петербург, в Санкт-Петербургском Техническом университете, в Санкт-Петербургском Техническом университете и др.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.
В первой главе рассмотрены основные фундаментальные свойства гетеропереходов II типа. Приводится ряд исследований фото- и электролюминесценции на ступенчатых гетеропереходах II типа GalnAsSb/GaSb и светоизлучательных приборов на их основе. Коротко обсуждаются данные по оптическим свойствам и особенностям квантового магнитотранспорта на примере гетероструктур II типа со сверхрешетками в системе бинарных соединений GaSb-InAs.
Во второй главе рассмотрены особенности технологии изготовления разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs. Были изучены фотолюминесцентные свойства и определен фононный модовый состав широкозонных четверных твердых растворов Gai_xInxAsySbi_y для составов х<0.22, изопериодных с InAs, а также исследована зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора. Особое внимание было посвящено определению зонной энергетической диаграммы разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs. Исследованы спектры фоточувствительности и фотопроводимости, обусловленные зонной диаграммой разъединенного гетероперехода II типа GalnAsSb/InAs.
Третья глава диссертации посвящена исследованию свойств магнитотранспорта на одиночной разъединенной гетерогранице II типа GalnAsSb/p-InAs в слабых магнитных полях (В<2 Т) в широком интервале
температур от 4 К до 300 К. Были определены параметры электронного канала на гетерогранице в зависимости от состава и уровня легирования твердого раствора GalnAsSb и показано, что при высоком уровне легирования акцепторной примесью наблюдается истощение электронного канала. Исследование перехода от разъединенного гетероперехода к ступенчатому в одиночных гетероструктурах II типа GaInAsSb/InAs(GaSb) позволило выявить решающее влияние неоднородности и типа границы раздела на транспортные свойства всей гетероструктуры. Установлено, что наличие электронного канала с высокой проводимостью носителей на гетерогранице с полупроводником, обогащенным магнитной примесью, обуславливает проявление аномального характера зависимости эффекта Холла и возникновение большого отрицательного магнитосопротивления уже при азотной температуре.
В четвертой главе особое внимание будет уделено особенностям квантового магнетотранспорта в электронном канале на одиночной разъединенной гетерогранице II типа p(n)-GaInAsSb/p-InAs в сильных магнитных полях (В>6 Т) при низких температурах (Т<2 К). Интригующее поведение двумерной электронной системы в присутствии дырок и первое наблюдение целочисленного квантового эффекта Холла на одиночной разъединенной гетерогранице II типа GalnAsSb/InAs будут изучены в интервале полей до 18 Т на постоянном токе и до 35 Т на переменном. При исследовании магнитотранспорта, магнито-фотолюминесценция и электронного резонансного поглощения удалось убедительно показать существование двумерной электронно-дырочной системы на одиночной разъединенной гетерогранице II типа p(n)-GaInAsSb/p-InAs. Было установлено положение и количество электронных подзон в канале и оценены значения эффективных масс для каждой из них. Экпериментально и теоретически показано, что из-за гибридизации состояний валентной зоны широкозонного полупроводника и зоны проводимости узкозонного на
разъединенной гетерогранице II типа происходит антипресечения уровней Ландау, которые приводят к возникновению в ненулевом магнитном поле квазищелей в плотности состояний. Эти исследования открывают возможности создания нового класса лазеров, использующих в активной области излучательные переходы между уровнями Ландау и управляемые магнитным полем.
В пятой главе рассмотрена интерфейсная электролюминесценция на одиночной гетерогранице II типа p(n)-GaInAsSb/p-InAs, обусловленная непрямыми (туннельными) излучательными переходами через гетерограницу. Показано преобладание туннельных оптических переходов электронов через гетерограницу и их последующей рекомбинацией с дырками на стороне твердого раствора. Детально обсужден механизм излучательной рекомбинации на гетерогранице II типа с асимметричными разрывами зон, на примере гетеропереходов p-GalnAsSb/n-InGaAsSb и р-AlGaAsSb/p-InGaAsSb, при увеличении высоты барьеров в зоне проводимости.
В шестой главе предложен и исследован туннельно-инжекционный лазер с разъединенным гетеропереходом II типа в активной области. Проведенный теоретический расчет температурных и пороговых характеристик такой лазерной структуры показал, что на гетерогранице II типа происходит существенно подавление Оже-процессов, что выражается в слабой температурной завимости порогового тока и уменьшении токов утечки из активной области. Преобладание ТМ-поляризации (плоскость распространения световой волны перпендикулярна плоскости р-n перехода) в спектрах когерентного излучения позволило установить роль легких дырок на разъединенной гетерогранице II типа в туннельной излучательной рекомбинации через границу раздела.
В седьмой главе рассмотрены некоторые аспекты создания асимметричных лазерных структур, в том числе полученные с
использованием комбинированной технологии выращивания ЖФЭ, МПЭ и МОГФЭ. Предложена модель асимметричной лазерной структуры, сочетающей в себе преимущества гетеропереходов I и II типа.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
Положение 1 (об одиночной гетероструктуре II типа Gaj.xInxAsySb|.y /InAs с резкой планарной границей раздела)
Резкая планарная гетерограница с переходным слоем d=12 А в системе термодинамически устойчивых твердых растворов Gai_xInxAsySbi.y может быть получена методом жидкофазной эпитаксии. При этом, если широкозонный слой наращивается на узкозонную подложку, то гетерограница обогащена тяжелыми ростовыми компонентами (In и Sb), а тип связи на границе раздела подобен InSb (InSb-like).
Положение 2 (о разъединенном гетеропереходе II типа в системе твердых растворов Ga-In-As-Sb)
Гетеропереход Gai_xInxAsySbi_y/InAs на основе твердых растворов в интервале составов 0.03<х<0.25 (у=0.922х+0.076) является разъединенным гетеропереходом II типа, при этом потолок валентной зоны широкозонного материала GalnAsSb находится по энергии выше дна зоны проводимости узкозонного полупроводника InAs на величину ДЕ=40-80 мэВ в зависимости от состава твердого раствора. В гетероструктурах II типа Gai_xInxAsySbi_ y/GaSb при изменении состава твердого раствора наблюдается переход от ступенчатого гетероперехода к разъединенному, при этом гетерограница является ступенчатой при х<0.85, а при х>0.85 -разъединенной.
Положение 3 (об электронном канале на разъединенной гетерогранице II типа)
В одиночных разъединенных гетероструктурах II типа p-Ga|.xInxAsySbi_y/p-InAs в интервале составов твердого раствора 0.03<х<0.25 (у=0.922х+0.076) на гетерогранице существует электронный канал на стороне узкозонного
полупроводника с высокой подвижностью электронов цн= 40000-70000 смЛВ~ 'с"', шириной d=l50-400 А и двумерной концентрацией электронов в канале на уровне Ферми ns=3-9xl0u см"3 при Т=77 К.
Положение 4 (об аномальном эффекте Холла и отрицательном магнитосопротивлении)
В одиночных разъединенных гетероструктурах II типа p-Gai.xInxAsySb].y/p-InAs:Mn с электронным каналом на гетерогранице в слабых магнитных полях (до З Т) наблюдается аномальный характер зависимости коэффициента Холла от температуры и от магнитного поля и отрицательное магнитосопротивление, обусловленное обменным s-p взаимодействием электронов, локализованных в электронном канале на гетерогранице, с магнитными примесями Мп в подложке при концентрации марганца р>5хЮ18см"3.
Положение 5 (о квантовом эффекте Холла на одиночной разъединенной гетерогранице II типа)
В одиночных разъединенных гетероструктурах II типа p-Gai_xInxAsySbi_y/p-InAs с самосогласованными квантовыми ямами на гетерогранице, содержащими две электронные (Е[ и Е2) и одну дырочную подзоны, в сильных магнитных полях (В>9 Т) при низких температурах (Т<2 К) существуют плато целочисленного квантового эффекта Холла с факторами заполнения v=2, 3 и 6 в ультраквантовом пределе для подзоны Еь при этом квантовый эффект Холла наблюдается в присутствии дырочной подсистемы.
Положение 6 (о локализации носителей на разъединенной гетерогранице II типа)
В спектре электролюминесценции изотипной разъединенной гетероструктуры II типа p-GaInxAsySb/p-InAs в интервале температур 4-100 К при приложении внешнего обратного смещения возникают одна или более полос излучения, сильно смещенные по энергии в длинноволновую сторону относительно ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника и
обусловленные туннельной рекомбинацией через гетерограницу электронов, локализованных в квантовой яме на стороне p-InAs, с дырками, локализованными вблизи гетерогранице на стороне широкозонного твердого раствора p-GalnAsSb.
Положение 7 (о когерентном излучении в разъединенном гетеропереходе II типа)
В туннельно-инжекционном лазере на основе гетероперехода II типа р-GaInxAsySb/p-In(Ga)As(Sb) в активной области при приложении внешнего смещения генерация когерентного излучения происходит за счет заполнения пространственно разделенных самосогласованных квантовых ям для электронов и дырок на гетерогранице с последующей излучательнои рекомбинацией за счет туннелирования через гетеробарьер II типа.
Положение 8 (об асимметричной лазерной структуре II типа) В асимметричной лазерной структуре, в которой узкозонная активная область заключена между двумя более широкозонными ограничительными слоями, образующими между собой гетеропереход II типа с высотами гетеробарьеров на границе раздела больше ширины запрещенной зоны активной области (AEc,AEv>:>Eg), обеспечивается хорошее удержание (ограничение) электронов и дырок, а излучательная рекомбинация происходит в узкозонной активной области как в гетеропереходе I типа.
Основное содержание диссертации отражено в 38 научных статьях [26*,27*, 28*,29*,30*,31*Д01*Д07*Д17*Д23*Д24*Д25*Д26*Д49*Д57М66*Д76*, 178*Д79*Д81*Д97*Д98*Д99*,223*,225*,226*,227*,228*,235*,236*,238*, 239*, 240*, 241*, 242*,266*,267*,269*].
Апробация работы. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 2-13 Международные Симпозиумы "Наноструктуры: Физика и
Технология" (Санкт-Петербург, 1994-2005); 7 Международная конференция по полупроводниковым модуляционным материалам (Банф-Альберта, 1994); 6 Международная конференция по модуляционным полупроводниковым структурам (Льеж, 1995); Международный симпозиум по исследованию полупроводниковых приборов (Шарлотсвилль, 1995, 1997); 2,3,6 Российские конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 1996, 2003, Москва 1997); 23 Международный симпозиум по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, 1996); конференции Международного Оптического Инженерного общества (SPIE) (Сан-Хосе, 1995-1997, 2000, 2002, 2003); Международный конгресс Общества по исследованию материалов (MRS) (Бостон, 1997); 2-7 Международные конференции по оптоэлектронным материалам и приборам для среднего ИК-диапазона (MIOMD) (Прага, 1998; Аахен, 1999; Монпелье, 2001; Аннаполис, 2002; Санкт-Петербург, 2004; Ланкастер, 2005); 9 Международная конференция по изучению пленок и поверхностей (Копенгаген, 1998); 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (Казань, 2000); конференция по лазерам и электро-оптике (CLEO) (Ницца, 2000); конференция Королевского Общества по физике (Лондон, 2000); 19 Европейская конференция по изучению поверхности (Мадрид, 2000); Международный симпозиум по коррелированным эффектам в двухмерных электронных системах (Ланкастер, 2001); 11 Международная конференция Американского Электро-Оптического общества (LEOS) (Сан-Диего, 2001); Международная конференция по инфракрасным когерентным источникам (Санкт-Петербург, 2001); 14 Международная конференция по электрическим свойствам двумерных систем (Прага, 2001); 12 Международная конференция по технологии молекулярно-пучковой эпитаксии (Сан-Франциско, 2002); 11-12 Международная конференция по узкозонным полупроводникам (NGS) (Буффало, 2003; Тулуза, 2005); симпозиум Американского Физического общества (Торонто, 2004); 26 Международная конференция по физике
полупроводников (Флагстаф, 2004); Международная конференция «Дни Российской науки в Польше» (Варшава, 2004); 14 Международная конференция по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (Урбана-Шампань, 2005).
Разъединенные гетероструктуры II типа в системе GaSb-InAs
В зависимости от взаимного расположения полупроводников, образующих гетеропереход, различают несколько типов энергетических диаграмм гетеропереходов I типа и II типа. При этом гетеропереходы II типа подразделяются на ступенчатые и разъединенные. Таким образом, в гетеропереходе возможны три варианта взаимного расположения энергетических зон полупроводников [35]. Наиболее известен случай, когда края зон широкозонного полупроводника «охватывают» края зон узкозонного, при этом узкозонный полупроводник оказывается «вставленным» в широкозонный и скачки потенциала на гетерогранице для зоны проводимости и валентной зоны имеют противоположные знаки, и гетеропереход называют гетеропереходом I типа (рис. 1.1а). К такому типу гетероперехода относится ряд наиболее изученных гетеропар, например GaAs/GaAlAs, GalnAs/InP, GalnP/GaAs, AlSb/GaSb [36]. В квантовых ямах и сверхрешетках, изготовленных из таких пар полупроводников, заполненные состояния в зоне проводимости находятся с той же стороны от гетерограницы, что и заполненные состояния в валентной зоне. Такие структуры называют пространственно прямыми. В этом случае оба типа носителей заряда находятся и излучательно рекомбинируют в одном и том же материале.
Для некоторых пар полупроводников и зона проводимости, и валентная зона на гетерогранице могут быть сдвинуты по энергии в одном направлении (рис. 1.1b). В случае если скачки потенциала для соответствующих энергетических зон на границе раздела имеют одинаковый знак, гетеропереход называют гетеропереходом II типа. При этом реализуется такая зонная структура, в которой дно зоны проводимости одного полупроводника расположено с одной стороны от границы раздела перехода, а потолок валентной зоны другого полупроводника - с другой. Сама гетероструктура образует «ступеньку», поэтому гетеропереходы II типа прозвали «ступенчатыми». Энергетический зазор между ними, или эффективная запрещенная зона, оказывается меньше, чем наименьшая из двух запрещенных зон в исходных полупроводниках, образующих гетеропереход [35]. Основной особенностью гетероперехода II типа является то, что электроны и дырки локализуются по разные стороны границы раздела, и такие гетероструктуры называют пространственно непрямыми. Несмотря на это, волновые функции электронов и дырок перекрываются на гетерогранице за счет туннельного проникновения хвостов состояний под потенциальный барьер на границе раздела, и становиться возможной излучательная рекомбинация, при которой энергия испущенных фотонов меньше, чем ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, как было впервые показано Г. Кремером и Г. Гриффитсом [1].
Одинаковый знак разрывов энергетических зон на гетерогранице II типа приводит, при выравнивании уровня Ферми для всей гетероструктуры, к формированию по обе стороны от гетероперехода самосогласованных потенциальных ям для электронов и дырок, соответственно. Очевидно, что близко расположенных носителей заряда, разделенных относительно невысоким потенциальным барьером, существует конечная вероятность туннельных излучательных переходов через гетерограницу и может появиться специфический канал рекомбинации, отсутствующий у гетеропереходов I типа. Излучение в гетероструктурах II типа возникает за счет непрямых (туннельных) рекомбинационных переходов через гетерограницу электронов и дырок, локализованных в самосогласованных квантовых ямах по разные стороны границы раздела [37].
Многообразие гетеропереходов II типа в полупроводниках А В представлено такими гетеропарами как AlInAs/InP, InAsSb/InAs, AlGaSb/InAs, InAsSb/GaSb, InGaAs/GaAsSb, GalnAsSb/GaSb, GalnAsSb/InAs и др. [37]. Наиболее широко изучены гетеропереходы II типа на основе соединений, наиболее близких друг другу по постоянной решетки (AlSb, GaSb и InAs), так называемое семейство полупроводников 6.1 А [38]. Гетероструктуры II типа могут образовывать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы в зависимости от состава твердого раствора [10,21]. Разъединенные гетеропереходы II типа иногда еще называют гетеропереходами III типа, однако это все-таки особая разновидность предельный случай ступенчатого перехода II типа. Если ступенчатое расположение зон довести до разрыва в запрещенной зоне, тогда дно зоны проводимости широкозонного полупроводника будет расположено по энергии ниже потолка валентной зоны узкозонного (рис. 1.1 с). Предельным случаем ступенчатого гетероперехода AlGaSb/InAs является разъединенная гетероструктура GaSb/InAs с разрывом в запрещенной зоне порядка 150 мэВ [11,22].
Гетероструктуры на основе бинарных соединений являются напряженными структурами, поскольку параметры решеток GaSb и InAs достаточно сильно различаются. Это не дает возможности наращивать толстые (более 0.5 мкм) эпитаксиальные слои из-за ограничения по критической толщине, однако последовательный набор из нескольких сверхтонких слоев GaSb и InAs позволяет получать структуры с квантовыми ямами и сверхрешетки, которые могут в некоторой степени отражать некоторые свойства гетероперехода II типа. В этом случае количество гетерограниц в эпитаксиальных структурах более чем одна. Известно, что гетерограница представляет собой, в общем случае, неоднородность и может служить центром безызлучательных и токовых потерь для всей структуры [35]. Для того, чтобы иметь возможность изучать свойства одиночной гетерограницы, следует выполнить условия изопериодности гетероструктуры, т.е. наилучшего согласования постоянных кристаллической решетки полупроводников, образующих гетеропереход. Существует только две изопериодные пары для тройных твердых растворов в семействе 6.1 А, образующие гетеропереходы II типа: InAso.91Sbo.09/GaSb [16,39,40] и GaAso.osSbo.92/InAs [41,42].
Зависимость ширины запрещенной зоны эпитаксиального слоя GalnAsSb, изопериодного с InAs, от состава твердого раствора
Используя необходимые табличные данные из [59], была определена глубина потенциальной ямы (eVi) для электронов на гетерогранице со стороны слоя p-GalnAsSb. Положение уровня размерного квантования электронов в яме (Е0) находилось путем численного самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона. В частности, для концентраций носителей в четверном твердом растворе GalnAsSb р=1х10 см" и р=8х10 см" были получены оценки Е0 равные 50 мэВ и 10 мэВ, соответственно. Проведенный расчет показал, что при понижении уровня легирования узкозонного твердого раствора GalnAsSb потенциальная яма для электронов становится шире и глубже, что приводит к более сильной локализации электронов вблизи гетерограницы II типа.
Вопрос о том, какой из возможных рекомбинационных каналов доминирует в интерфейсной люминесценции, должен быть рассмотрен индивидуально для каждого конкретного случая. Электроны, локализованные на гетерогранице II типа p-GalnAsSb/p-GaSb, имеют возможность рекомбинировать либо в объеме с дырками узкозонного твердого раствора p-GalnAsSb (переходы її, см рис. 1-2), либо через гетерограницу с дырками, локализованными в самосогласованной квантовой яме на стороне p-GaSb (переходы 12, см рис. 1-2). Исследования поляризации полос А и I показали, что рекомбинация электронов с дырками в объеме узкозонного твердого раствора более вероятна при высоких уровнях легирования узкозонного твердого раствора GalnAsSb, так как при этом, возрастает количество дырок в объеме твердого раствора и уменьшается квантовая яма для электронов на границе раздела. Понижение электронного уровня в яме приводит к проникновению электронов в глубь эпитаксиального слоя. При уменьшении уровня легирования твердого раствора GalnAsSb возрастает вклад рекомбинации с дырками, локализованными в самосогласованной квантовой яме на стороне p-GaSb, путем туннелирования носителей через гетерограницу [15]. Для такого типа излучательных переходов характерны широкие полосы излучения с минимально возможными значениями энергий фотона, немного превышающими эффективную ширину запрещенной зоны гетероперехода, которая определяется как расстояние между дном зоны проводимости р-GalnAsSb и потолком валентной зоны p-GaSb на гетерогранице. Для гетероперехода p-Gao.80Ino.20Aso.i8Sbo.82/p-GaSb эта величина составляет Eg,i=0.5 эВ.
Туннельный механизм электронно-дырочной рекомбинации через гетерограницу II типа был также подтвержден при измерении времени жизни носителей в объеме и в квантовой яме путем исследования оптической ориентации носителей. Время жизни электронов в яме было больше, чем в объеме твердого раствора (3x10"8 с и 5x10"9 с, соответственно) [10]. Стоит подчеркнуть, что интерфейсная полоса излучения I наблюдалась только для структур с рассогласованием параметров решеток материалов Аа/а 10" .
Для изучения спектров электролюминесценции ступенчатых гетеропереходов II типа были созданы одиночные гетероструктуры п Gao.77I1io.23Aso.20Sbo.80/p-GaSb [15,82]. Энергетическая зонная диаграмма гетероперехода II типа n-Gao.77Ino.23Aso.20Sbo.80/p-GaSb при приложении прямого внешнего смещения приведена на рисунке 1-6. При совмещении р-п перехода с гетерограницей II типа приложение внешнего смещения таким образом, что отрицательный потенциал приложен к n-GalnAsSb, а положительный - к p-GaSb, не снимает потенциальные барьеры для движения носителей заряда через гетерограницу. Более того, по обе стороны границы раздела за счет изгиба зон на гетерогранице возникают самосогласованные потенциальные ямы для электронов в узкозонном материале и для дырок в широкозонном, соответственно. В этом случае существенным каналом излучательной рекомбинации могут стать туннельные переходы через гетерограницу носителей, локализованных в образовавшихся потенциальных ямах.
Спектры электролюминесценции при Т=2 К содержали две четко выраженные полосы излучения, hvpO.47 эВ и hvA=0.575 эВ, одинаковой полуширины порядка 25 мэВ (рис. 1-7). Коротковолновая полоса А отвечала излучательным переходам в объеме твердого раствора (Eg=0.605 эВ), тогда как длинноволновая полоса I была приписана интерфейсным излучательным рекомбинационным переходам. Важными особенностями полосы I явились развитие дублетной структуры при увеличении приложенного смещения и поляризационная зависимость относительно плоскости гетероперехода. С ростом напряжения на высокоэнергетическом краю полосы излучения I появляется дополнительный максимум, интенсивность которого, в дальнейшем, усиливается. При этом оба максимума, основной и дополнительный, сдвигаются в сторону больших энергий фотона, но относительное расстояние между ними по энергии постепенно увеличивается. Такое поведение полосы излучения I является следствием заполнения самосогласованных ям на гетерогранице и образование следующего за основным локализованного состояния носителей заряда. Сужение потенциальной ямы с ростом приложенного напряжения вызывает выталкивание уровней локализации по энергии вверх с разной скоростью.
Туннельный характер переходов, ответственных за возникновение полосы I, был непосредственно подтвержден при изучении поляризационных характеристик спектров электролюминесценции (рис. 1-8). На рисунке видно, что обе компоненты полосы I одинаково поляризованы преимущественно перпендикулярно плоскости р-п перехода, а величина поляризации а=(Р_г РУ(Р±+Рц) составляет а=0.56 [82,84]. Полученный результат указывает на то, что туннелирующими носителями в основном являются легкие дырки из р-GaSb. Это позволило создать квантово-размерные интерфейсные лазеры для спектрального диапазона до 2.4 мкм, использующие туннельную инжекцию на одном гетеропереходе и работающие при комнатной температуре [2,85].
Истощение электронного канала на разъединенной гетерогранице II типа p-GalnAsSb/p-InAs. Роль неоднородности гетерограницы
В последние годы гетеропереходы II типа в системе Ga-In-As-Sb привлекают пристальное внимание исследователей не только своими уникальными физическими свойствами, но и широким использованием их для создания целого ряда новых оптоэлектронных приборов для среднего инфракрасного спектрального диапазона (лазеры, светодиоды и фотодиоды). Фундаментальное свойство гетероперехода II типа заключается в том, что электроны и дырки пространственно разделены на гетерогранице. Это позволяет в широких пределах управлять оптическими и транспортными свойствами таких гетероструктур и определяет в значительной степени параметры электронных и оптоэлектронных приборов, созданных на их основе. Пространственное разделение носителей в гетеропереходах II типа дает возможность получить излучение с энергией фотона, много меньшей ширины запрещенной зоны каждого из полупроводников, образующих гетеропереход [37].
Известно, что гетероструктуры II типа в системе твердых растворов Ga-In-As-Sb могут образовывать гетеропереходы со ступенчатым и разъединенным расположением зон на гетерогранице [10,31 ]. К моменту начала настоящей работы основные фундаментальные свойства ступенчатых гетеропереходов II типа GaSb/GalnAsSb на основе широкозонных твердых растворов, обогащенных GaSb, были ранее достаточно хорошо изучены [10]. В то же время, физические свойства разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs вообще мало исследованы. Это вызвано тем фактом, что до настоящего времени не удавалось получить ненапряженные одиночные изопериодные гетероструктуры II типа GalnAsSb/InAs с планарной резкой границей раздела. Только благодаря разработке и применению автором оригинальной методики выращивания четверных твердых растворов в системе Ga-In-As-Sb данная проблема была успешно решена. Следует подчеркнуть, что разъединенные гетероструктуры II типа GalnAsSb/InAs были изготовлены впервые в лаборатории Инфракрасной оптоэлектроники Физико-Технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург.
В настоящей главе будут рассмотрены особенности технологии изготовления разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs. Будет изучен фононный модовый состав широкозонных четверных твердых растворов Gai_xInxAsySbi_y для составов х 0.22, изопериодных с InAs, а также исследована зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора. Особое внимание будет посвящено определению зонной энергетической диаграммы разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs.
Одним из широко применяемых и воспроизводимых технологических методов выращивания эпитаксиальных гетероструктур является метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [87]. Отличительной и необходимой особенностью данной технологии является выполнения в процессе наращивания условия термодинамического равновесия раствора-расплава с кристаллической подложкой, что позволяет получать ненапряженные изопериодные гетероструктуры. Первые попытки получения эпитаксиальных слоев четверных твердых растворов GalnAsSb методом ЖФЭ были предприняты в работах [13,88]. Зависимости твердой и жидкой фазы определялись с помощью разностного термического анализа. Экспериментально была установлена область несмешиваемости, т.е. область несуществование твердого раствора GalnAsSb. Эпитаксиальные слои твердых растворов GaInxAsySb получали методом подбора жидкой фазы или варьированием скорости охлаждения, температуры начала кристаллизации и температурного интервала роста [89]. Однако широкое развитие жидкофазной эпитаксии и использование ее для синтеза многокомпонентных твердых растворов невозможно без знания точных методов расчета фазовых диаграмм расплавов - твердое тело.
Для расчета диаграмм плавкости полупроводниковых систем А В наиболее часто используются модели регулярных растворов [90], а также ассоциированных идеальных и неидеальных растворов [91]. Расчет равновесного состава жидкой фазы в системах типа AVAVBVB обычно выполняют, решая систему четырех трансцендентных уравнений, полученных из условий равенства химических потенциалов псевдокомпонентов твердого раствора (типа АіВь А2В2 и др.) сумме химических потенциалов компонент, образующихся соединений в жидкой фазе (предполагается полная диссоциация соединений типа А В3, в расплаве [92]). Необходимые для расчета параметры взаимодействия (а) оценивали экспериментально из двухкомпонентных (aj.j) и трехкомпонентных (ajj_ps) систем [93].
Метод регулярных растворов не позволяет достаточно точно описать сложный, в ряде случаев, ход изотерм ликвидуса (например, в системах 1п-As-Sb и Ga-As-Sb) [94-96]. Степень совпадения экспериментальных и расчетных данных зависит от того, насколько характер взаимодействия частиц в реальном растворе соответствует выбранной модели расчета [97]. Для улучшения достоверности расчетов по отношению к опытным данным как правило использовался метод "подгонки" ряда вводимых в уравнения термодинамических параметров [45]. В работе [91], было продемонстрировано эффективное применение метода ассоциированных неидеальных растворов к расчету диаграммы плавкости трехкомпонентной системы In-As-Sb. Однако появление большого количества подгоночных параметров затрудняло количественную экстраполяцию на системы с большим количеством компонентов. В работах [98,44] фазовые равновесия расплав - твердое тело для системы Ga-In-As-Sb были рассчитаны методом регулярных растворов. Устойчивость такой модели была сравнительно невысока, и для четверной системы Ga-Sb-In-As не удалось достигнуть удовлетворительного соответствия теоретических оценок экспериментальным данным.
Квантовый эффект Холла в двумерном электронном канале на гетерогранице II типа p(n)-GaInAsSb/p-InAs
Вообще, ожидалось, что в спектре для четверного твердого раствора Gai_xInxAsySbi_y можно получить четыре моды подобные бинарным соединениям (InAs-подобная, GaAs-подобная, InSb-подобная и GaSb-подобная). Однако, фононные частоты GaSb и In As расположены достаточно близко друг к другу (см. таблицу 2-5) и трудно отделимы [120]. Тогда, спектр акустических колебаний четверного твердого раствора может быть рассмотрен как квазитройной спектр, где промежуточная мода есть суперпозиция фононных частот GaSb и InAs [113]. Для тройных твердых растворов в системе Ga-In-As-Sb было наблюдено одно-модовое, двух-модовое и смешанное модовое поведение спектров комбинационного рассеяния [114,121,122]. Поведение четверного твердого раствора Gai_ xInxAsySb,.y может быть классифицировано как смешанный тип.
Слабая по интенсивности линия поперечного оптического фонона около 220 cm"1 видна в спектрах образцов #1 и #4 (см. рис.2-4). Ее появление может быть связано с нарушениями оптического качества поверхности образцов, так как образцы #1 и #4 были получены из расплава, состав которого располагался вблизи границы несмешиваемости фазовой диаграммы. Другими словами, одновременно появление мод продольного и поперечного оптического фонона в спектре твердого раствора является результатом разупорядочения эпитаксиальной структуры.
Данное замечание весьма важно для определения качества наращиваемой эпитаксиальной структуры, поскольку использование оптических методов исследования позволяет учитывать нарушения кристаллической решетки высшего порядка малости, т.е. вблизи границы несмешиваемости фазовой диаграммы четверных твердых растворов GalnAsSb существует область нестабильности морфологии состава. При увеличении содержания индия в твердой фазе можно было ожидать появление InSb-подобной моды. Однако мы не наблюдали такой полосы даже для образца #4 (х=0.22). Причиной может быть очень низкая эффективность комбинационного рассеяния для такой моды по сравнению с эффективностями остальных бинарных компонентов (InAs, GaSb и GaAs), что также указывает на взаимность четверной системы GalnAsSb, которая является по сути квазитройной. Теоретически рассчитанные инфракрасные спектры также демонстрируют слабое проявление InSb-подобной моды только для составов х 0.3 [119].
Нами были детально исследованы фотолюминесцентные свойства твердых растворов GaInxAsySb, изопериодных с InAs, с содержанием индия в интервале 0.03 х 0.23 в диапазоне температур Т=4-300 К [123 -125 ]. Впервые экспериментально была измерена ширина запрещенной зоны четверного твердого раствора GalnAsSb, исследована ее температурная зависимость и установлена природа примесных уровней.
Исследование фотолюминесценции проводилось на установке Oxford Instruments в криостате с сапфировым стеклом с постоянным потоком жидкого гелия, который позволяет задавать температуру в интервале от 4 К до 300 К. Фотовозбуждение образцов осуществлялось аргоновым лазером 488 нм или, в некоторых случаях, полупроводниковым InGaAs лазером, работающим в непрерывном режиме на длиной волны /1=800 нм. Спектры анализировались двух-решеточным монохроматором с длиной оптического пути 0.5 м. Излучение из образца попадало в монохроматор, используя CaF2 линзы для фокусировки. Регистрация сигнала осуществлялась охлаждаемым фотодиодом InSb, сопряженным с цифровым фазочувствительным усилителем SR850 фирмы Stanford Research. Компьютерная запись сигнала выполнялась с помощью программы Labview.
Ширина запрещенной зоны твердых растворов GaInxAsySb с содержанием индия 0.03 х 0.23, изопериодных с InAs, была впервые оценена при изучении спектров фотолюминесценции при 80 К [123 ]. Фотолюминесценция при азотной температуре наблюдалась в спектральном диапазоне, соответствующем энергиям фотона в интервале 0.5-0.8 эВ. Для образцов с нелегированными слоями GaInxAsySb р-типа проводимости спектры фотолюминесценции содержали одну четко выраженную полосу излучения с полушириной пика FWHM=23 мэВ (рис.2-7). В дальнейшем будем именовать данную полосу излучения как полоса Ар. Как видно из рисунка 2-7, спектральное положение полосы Ар зависит от состава твердого раствора. С увеличением содержания индия в эпитаксиальном слое максимум полосы излучения смещается в сторону меньших энергий фотона (см. табл.2-6). Кроме того, для одинакового уровня внешнего возбуждения наблюдается сильная зависимость интенсивности пика фотолюминесценции от состава четверного твердого раствора. С ростом доли индия в твердой фазе с х=0.09 до х=0.16 интенсивность фотолюминесценции падает на порядок, а при значении х=0.21 полоса Ар едва различима на уровне шумов приемника.
