Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые квантовые структуры—одиночные гетсробарьеры, квантовые ямы, сверхрешетки, квантовые точки—интенсивно исследуются в последние годы. Интерес к таким структурам, как с фундаментальной, так и с практической точки Зрения, связан с существованием в них ряда принципиально новых физических явлений, отсутствующих в однородных полупроводниках, причем большинство новых эффектов связано с пространственной локализацией носителей заряда в квантовых структурах из-за существования гетеробаръеров.
. Наличие гетерограницы влияет не только на изменение энергии и волновых функций носителей п гетероструктурах, но, что принципиально важно, и па макроскопические свойства квантовых структур. Вопрос о влиянии взаимодействия носителей заряда с гете-рогралицами па макроскопические свойства гетероструктур до сих пор оставался открытым. Теоретическое исследование данной проблемы и ее решение является актуальной задачей физики полупроводниковых гетероструктур.
Весьма актуальным является вопрос о влиянии гетерограницы на процессы рекомбинации неравновесных носителей в квантовых структурах. При больших концентрациях носителей заряда (и ~ 1018 см"3) важны два процесса рекомбинации: излучательный процесс и безызлучательный—оже-процесс. Оже-процесс рекомбинации представляет &_боЙ двухчастичное электрон-электронное взаимодействие, в результате которого один из электронов реком-бинирует с дыркой, а другой электрон, поглощая энергию и импульс от электрон-дырочной пары, переходит в высоковозбужденное состояние. Наличие гетерограницы существенным образом влияет на электрон-электронное взаимодействие в квантовых структурах, и это воздействие имеет фундаментальный характер. Гетеро-граница снимает ограничения, накладываемые на межэлектронные
процессы столкновения законами сохранения энергии и импульса, что приводит к появлению новых, беспороговых, каналов оже-ре-комбинации. Следует отметить, что в литературе до настоящего времени отсутствовала последовательная теория процессов безыз-лучательной оже-рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниковых квантовых структурах с учетом их взаимодействия с гетерограницами.
Особое место занимают полупроводниковые квантовые структуры в современной опто- и микроэлектронике. На их основе были созданы, в частности, первые полупроводниковые лазеры, работающие при комнатной температуре.
Не менее актуальной проблемой является вопрос о влиянии ге-терограницы на пороговые характеристики полупроводниковых лазеров на квантовых структурах. Одной из основных характеристик полупроводниковых лазеров является пороговая плотность тока. Вклад в пороговый ток вносят главным образом два механизма ^рекомбинации: излучательпый и оже-процессы. Взаимодействие носителей заряда с гетерограницей существенно влияет на температурную зависимость скорости элементарных процессов рекомбинации. Скорость оже-рекомбипации в гетероструктурах является степенной функцией температуры, в то время как в однородном полупроводнике скорость Оже является экспоненциальной функцией температуры. До настоящего времени последовательной микроскопической теории температурной зависимости пороговой плотности тока для полупроводниковых гетеролазеров не существовало.
Целью настоящей работы является теоретическое исследование новых излучательных и безызлучателъных процессов рекомби-нации неравновесншгносителейларяда в полупроводниковых^кван^-товых структурах с учетом взаимодействия этих носителей с гетерограницами для решения ряда существующих проблем физики полупроводниковых гетероструктур, опто- и наноэлектроники, в частности выявление физических механизмов, ограничивающих работу длинноволновых лазеров при комнатной температуре.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решался следующий комплекс задач: —разработка теоретического метода для расчета скорости процес-
сов оже-рекомбинации в гетероструктурах;
—исследование механизма процессов оже-рекомбинации в гетеро-структурах I и II типов;
—построение из первых принципов микроскопической теории температурной зависимости пороговой плотности тока полупроводниковых лазеров на квантовых структурах.
Новое научное направление исследований, которое сформировалось в процессе выполнения диссертационной работы,—это излу-чателькые и безызлучательяые переходы в квантовых структурах, обусловленные взаимодействием носителей заряда с гетерограницами.
Научная новизна работы заключается в следующем.
—Развит общий теоретический подход к анализу влияния гетеро-границы на излучательные и безызлучательные переходы носителей заряда в полупроводниковых квантовых структурах.
—Впервые предсказан новый механизм безызлучательноЙ оже-рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниковых квантовых структурах, обусловленный взаимодействием носителей заряда с гетерограницами; скорость нового процесса является степенпой функцией температуры, а не экспоненциальной, как в однородном полупроводнике.
—Впервые показано, что в гетероструктурах процесс электрон-электронного взаимодействия, сопровождающийся передачей большой энергии порядка ширины запрещенной зоны полупроводника, имеет дальнодействующий характер.
—Впервые построена теория иэлучательпой и оже-рекомбинации неравновесных носителей заряда в гетероструктурах II типа с квантовыми ямами; предсказан механизм подавления процессов оже-рекомбинации в гетероструктурах II типа.
—Впервые показано, что при определенных значениях магнитного поля процесс оже-рекомбинации носителей заряда в однородном полупроводнике, помещенном п квантующее магнитное поле, является беспороговым. Показано, что скорость Оже, при определенных значениях магнитного поля, является степенной функцией температуры.
—Предсказапы два новых механизма поглощения сорт;» свободны-
ми носителями заряда в гетероструктурах, обусловленные взаимодействием этих носителей с гетерогранидами.
—Предложена количественная теория механизма антистоксовско-го преобразования возбуждающего излучения в гетероструктурах II типа за счет процесса оже-рекомбинации.
—Впервые проведен теоретический анализ механизма электролюминесценции носителей заряда в одиночных изотиппых разъединенных р-р-гетеропер входах II типа.
—Впервые детально исследованы пороговые характеристики полупроводниковых лазеров на квантовых структурах с учетом взаимодействия носителей заряда с гетерограницами.
—Впервые, из первых принципов, получена зависимость пороговой плотности тока от температуры для полупроводниковых лазеров на квантовых структурах, излучающих в диапазоне длин волн от 0,8 до 4 мкм.
Все представленные к защите научные результаты получены впервые.
Практическое значение диссертационной работы определяется необходимостью детального исследования принципиально новых механизмов рекомбинации в полупроводниковых квантовых структурах, обусловленных взаимодействием носителей заряда с гетерограницами, и возможностью использования полученных результатов для исследования времен жизни неравновесных носителей в полупроводниковых гетероструктурах при высоких уровнях инжек-ции, а также необходимостью анализа электрических и оптических характеристик ггтеролазеров вблизи порога генерации. Проведен-ный теоретический анализ процессов рекомбинации носителей в гетероструктурах II типа может служить основой для практйческо-го создания длинноволновых лазеров (А > 4 мкм), работающих при комнатной температуре.
Аналитические выражения, полученные для скорости излуча-тельной и оже-рекомбинацй к как функции параметров квантовых ям (ширины квантовой ямы и высоты гетеробарьеров), позволяют оптимизировать лазерную структуру с целью понижения порогового тока и повышения внутреннего квантового выхода.
Лостоверность полз'чопяых в диссертации основных результатов
теоретических исследований подтверждается строгой постановкой задачи, выбором адекватных теоретических моделей и методов ее решения, ясной физической трактовкой основных результатов и выводов, согласием качественных результатов с точным численным расчетом, согласием с результатами экспериментальных работ.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Предложен новый теоретический подход для расчета скорости процессов безызлучательной оже-рекомбинации в полупроводниковых гетероструктурах.
-
В полупроводниковых гетероструктурах существует новый беспороговый механизм безызлучательной оже-рекомбинадии, обусловленный взаимодействием носителей заряда с гетерограница-ми. Скорость нового оже-процесса является степенной функцией температуры, в то время как в однородном полупроводнике скорость Оже зависит от температуры экспоненциальным образом.
-
Влияние гетерограницы на электрон-электронное взаимодействие в гетероструктурах носит фундаментальный характер. Гете-рограница снимает ограничения, накладываемые законами сохранения энергии-импульса на межалектронные процессы столкновения, что приводит к эффективному дальнодействию при кулопов-ском взаимодействии электронов.
-
Механизм оже-рекомбинации в гетероструктурах II типа принципиально отличается от механизма оже-рекомбинации в гетероструктурах I типа. Оже-продесс реализуется по двум каналам: 1) электрон из зоны проводимости туннелирует сквозь гетеробарьер и рекомбинирует с дыркой в квантовой яме (канал Е); 2) дырка из валентной зоиы туннелирует сквозь гетеробарьер и рекомбинирует с электроном в квантовой яме (канал Н). Вклад в матричный элемент оже-перехода от двух каналов Е и Н одного порядка, но разного знака. При этом имеет место деструктивная интерференция двух каналов рекомбинации Е и Н, что приводит к дополнительной малости в матричном элементе оже-перехода.
-
В гетероструктурах II типа с квантовыми ямами при определенном соотношении между параметрами квантовых ям скорость оже-рекомбинации имеет резкий минимум. Эффективное подпил^-
ниє процессов оже-рекомбинации в гетероструктурах II типа связано с короткодействующим характером кулоновского взаимодействия электронов, участвующих в процессе рекомбинации.
-
В однородных полупроводниках в присутствии квантующего магнитного поля процесс оже-рекомбинации является беспороговым при определенных значениях магнитного поля. При этом скорость оже-рекомбинации зависит от температуры степенным образом, а не экспоненциальным, как в отсутствие магнитного поля.
-
В одиночных изотинных гетеропереходах II типа, например p-InAs/p-GalnAsSb, при приложении к узкозонному полупроводнику InAs "обратного смещения" возникает двумерный канал (2D)-электропов со стороны узкозонного полупроводника. Электроны инжектируются в 2Б-канал резонансным образом с акцепторных уровней р-InAs. В этих условиях становится возможной туннельная излучательная рекомбинация электронов и дырок, локализованных по разные стороны от гетерограницы, при этом скорость излуча-тельной рекомбинации сравнима со скоростью излучательной рекомбинации в гетероструктурах I типа.
-
В полупроводниковых гетеролазерах, излучающих в диапазоне .длин волн А ~ 1мкм, пороговая плотность тока является степенной функцией температуры, а не экспоненциальной, как ранее предполагалось. В лазерах на квантовых ямах пороговая плотность тока является степенной функцией температуры в любом диапазоне длин волн. Лля длинноволнового лазера {А > Змкм) на квантовых ямах пороговый ток является немонотонной функцией ширины квантовой ямы. В лазерах на квантовых ямах II типа имеет место подавление то_ка оже-рекомбинации.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались-и обсуждались па IV Всесоюзной конференции "Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах" (Минск, 1986); XIII и XIV Совещаниях по теории полупроводников (Ереван, 1987; Донецк, 1989); Nanostructures: Physics and Technology, International Symposiiun (St.-Petersburg, 1994, 1995); International Semiconductor Device Research Symposium (Sharlottesville, USA, 1993); 16th Pekar International Conference on Theory of Semiconductors (Donetsk-Odessa, 1991); Photonics West Technical Conferences, Symposium on Lasers
and Applications (San Jose, USA, 1995); International Semiconductor Conference (CAS) (Sinaia, Romania, 1995), invited paper; Seventh International Conference on Modulated Semiconductor Structures (Madrid, Spain, 1995); X Feofilov Symposium on Spectroscopy of Crystals Activated by Rare-Earth and Transitional Ions (St.-Petersburg, Russia, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы (в том числе одно учебное пособие), список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, приложений и библиографии 115 наименований. Работа содержит 250 страниц, включая 32 рисунка и библиографию.
