Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Квантоворазмерные эффекты служат основой создания полупроводниковых приборов нового поколения, в том числе достаточно мощных излучателей, пикосекундных оптических переключателей, высокочувствительных фотодетекторов. Компактность, малое энергопотребление, низкие пороги включения и высокая надежность способствуют тому, что в настоящее время многие ведущие фирмы полупроводниковой электроники разрабатывают и выпускают уникальные приборы на основе квантоворазмерных структур. Интересными свойствами обладают полупроводниковые структуры типа легированных сверхрешеток. Изменеіше концентрации легирующих примесей и толщины слоев в таких структурах дает возможность создания полупроводниковых приборов с контролируемыми электрическими и оптическими характеристиками, которые могут изменяться в широком диапазоне с уровнем возбуждения. Исследование свойств и характеристик легированных сверхрешеток относится к одной из актуальных задач полупроводниковой электроники.
Дальнейшее развитие современных наукоемких технологий особенно важно в условиях Беларуси, которая имеет большой научный потенциал и целый ряд полупроводниковых, радиоэлектронных и оптико-электронных производств, но не обладает богатыми сырьевыми ресурсами. Тем более, что уровень развития теоретических знаний в области физики квантоворазмерных структур достаточно высок и позволяет эффективно использовать не приводящее к большим материальным затратам компьютерное моделирование для разработки новых полупроводниковых наноразмерных структур.
Дорогостоящая технология легированных сверхрешеток, или гс-г-р-г-кристаллов, требует предварительных детальных теоретических исследований, которые интенсивно проводятся за рубежом в таких странах, как Германия, США, Япония, а также в России. Однако к началу выполнения настоящей работы ряд фундаментальных вопросов физики легированных полупроводниковых сверхрешеток был изучен недостаточно. К ним относятся процессы, связанные с трансформацией профиля потенциальной энергии и эффективной ширины запрещенной зоны, появлением в результате сильного легирования хвостов плотности состояний, с экранированием электростатического потенциала носителями заряда, характером поведения отношения коэффициента диффузии к подвижности носителей тока, с изменением перекрытия волновых функций электронов и дырок. Недостаточно изучены особенности распределешія спектров излучения в длинноволновой области, вопросы, связанные с нелинейным поглощением. В полной мере не выяснены
возможности перестройки спектров усилешія, а также управления динамикой оптических и электрических процессов в легированных сверхрешетках. Решение этих оадач способствует прогрессу в области полупроводниковой квантовой электроники при разработке приборов на основе легированных сверхрешеток, в том числе излучателей и фотоприемников с перестраиваемыми характеристиками.
Связь работы с крупными научными программами, темами Данная диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектрошпси Белорусского государственного университета и выполнялась в рамках проектов Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований "Управление электронно-оптическими процессами в лазерных нано-размерных системах" (1995-1997, N госрегистрации 19961657), "Динамика процессов в полупроводниковых лазерных системах с микрорезонатором" (1997-1999, N госрегистрации 19973956), "Анализ излу-чателъных характеристик лазерных квантоворазмерных полупроводниковых систем с модифицированной зонной структурой" (1997-1999, N госрегистрации 19973956) и "Анализ динамических и спектральных характеристик полупроводниковых квантоворазмерных лазерных структур на основе легированных сверхрешеток с модуляцией добротности резонатора" (1998-2000, N госрегистрации 19982947); тем Министерства образования и науки РБ "Компьютерное проектирование и анализ физических процессов в квантоворазмерных и интегральных инжекционных лазерах" (1994-1995, N госрегистрации 19942985), "Анализ неравновесных электронных и оптических процессов в полупроводниковых источниках излучения" (1994-1996, ІУгоерегистрации 19942986), "Анализ оптических свойств полупроводниковых квантоворазмерных лазерных структур" (1998, №госрегистрации 19982712) и "Разработка теории квантоворазмерных лазеров" (1998-2000, N госрегистращш 19991538), а также в рамках Белорусско-Российской научно-технической подпрограммы "Лазерные технологии XXI века" по проекту "Разработка и исследование многослойных квантоворазмерных лазерных гетероструктур для элементной базы функциональной оптоэлектроники" (1998, N госрегистрации 1999390).
Цель и задачи исследования
Цель диссертационной работы - установление закономерностей изменения энергетических, спектральных и динамических характеристик легированных полупроводниковых сверхрешеток в зависимости от концентрации примесей, толщины легированных слоев, температуры и уровня возбуждения и поиск возможностей создания на основе п-г'-р-г-кристаллов лазерных излучателей, перестраиваемых в широком диапазоне длин волн.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
самосогласованный расчет потенциального рельефа, электронных и дырочных уровней энергии и волновых функций, а также их трансформации при вариации степени легирования, толщины легированных слоев и уровня возбуждения легированной сверхрешетки;
анализ плотности энергетических состояний и двухмерных концентраций носителей заряда с учетом влияния флуктуации электростатического потенциала, эффектов экранирования носителями заряда и корреляции в распределении примесей;
исследование характера изменения отношения коэффициента диффузии к подвижности носителей тока с ростом уровня возбуждения для различных типов легированных сверхрешеток с учетом гауссовых и экспоненциальных хвостов плотности состояний и влияния фонового экранирования;
установление характера траисформащш спектров поглощения (усиления) и испускания п-г-р-г-кристаллов в случае прямых переходов и переходов без правила отбора по волновому вектору электрона при учете изменения интегралов перекрытия волновых функций электронов и дырок, эффекта сужения ширины запрещенной зоны, флуктуации концентраций заряженных примесей и нелинейно-оптических процессов, связанных с заполнением уровней подзон;
расчет пороговых и динамических характеристик двухсекционной лазерной структуры на основе (5-легированной сверхрешетки и выяснение возможности управления длиной волны генерации в различных режимах работы.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования в работе являются легированные полупроводниковые сверхрешетки, или п-г-р-^кристаллы. Предмет исследования - электронные и оптические характеристики легированных сверхрешеток.
Методология и методы проведенного исследования Методология и методы проведенных в работе исследований основаны на теоретическом изучении электронных и оптических процессов в легпрованшлх сверхрешетках в рамках квантовой механики, зонной теории полупроводников и электродинамики сплошных сред.
Научная новизна и значимость полученных результатов 1. Для легированных полупроводниковых сверхрешеток предложены новые методики расчета профиля потенциальной энергии электронов, не требующие совместного численного решения уравнений Шре-дингера и Пуассона и позволяющие найти закономерности трансформации потенциального рельефа и его глубины при изменении концентраций легирующих примесей, толщины слоев и уровня возбуждения легированной сверхрешетки.
-
Получены выражения для двухмерной плотности энергетических состояний и концентрации носителей заряда при учете гауссова или экспоненциального хвостов плотности состояний. Проведен сравнительный анализ и изучены закономерности изменения длины экранирования и характеристического параметра хвоста плотности состояний с возбуждением структуры в случае гауссовых и экспоненциальных хвостов плотности состояний и корреляции в распределении примесей.
-
Впервые исследовано отношение коэффициента диффузии к подвижности носителей тока в п-г-р-г-кристаллах и показано его аномальное уменьшение с ростом уровня возбуждения, связанное с экранированием носителями тока и сокращением хвостов плотности состо-ЯШ1Й, и дальнейшее немонотошгое поведение, обусловленное заполнением вышележащих уровней энергии. Выявлены особенности поведения отношения коэффициента диффузии к подвижности при учете фонового экр анир ования.
4. Развита теория излучательных переходов в легированных
сверхрешетках с учетом хвостов плотности состояний и сужения ши
рины запрещенной зоны, на основе которой дано объяснение длинно
волнового крыла спектров испускания п-г-р-г-кристаллов.
5. Рассчитаны пороговые и спектральные характеристики предло
женной двухсекционной лазерной структуры на основе 6-легированной
сверхрешетки и получены условия перестройки длины волны генера
ции в широком спектральном диапазоне в режимах стационарной ге
нерации, переходного процесса и регулярных пульсаций на нескольких
длинах волн.
Практическая значимость полученных результатов
Разработанный пакет программ для расчета зонного спектра, плотности состояний, матричных элементов оптических переходов, спектров излучения и динамических характеристик легированных сверхрешеток может быть использован для анализа электронных и оптических процессов в легированных сверхрешетках, при исследовании и разработке оптоэлектрониых приборов на основе n-i-p-z-кристаллов.
На основе ^-легированной сверхрешетки предложен новый тип двухсекционного инжекциошюго лазера с перестраиваемой при различных режимах генерации длиной волны в широком диапазоне в ИК-области. Такие полупроводниковые лазеры могут найти применение в лазерной диодной спектроскопии, системах оптической обработки информации и для накачки твердотельных лазеров.
Полученные результаты могут быть использованы в Белорусском государственном университете, Институте физики им. Б.И. Степано-
ва НАНБ, Институте физики твердого тела и полупроводников НАНБ, Институте электроники НАНБ, Гомельском государственном университете им. Ф. Скорины, Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, Институте физики микроструктур РАН, Государственном научном центре РФ "Орион", ГП НИИ "Полюс" и других организациях, занимающихся исследованиями квантоворазмерных полупроводниковых структур и легированных сверхрешеток и разработкой приборов на их основе.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
В легированных полупроводниковых сверхрешетках глубина потенциального рельефа с ростом концентрации неравновесных носителей тока уменьшается линейно при малых уровнях возбуждения и подчиняется более медленному степенному закон}' изменения с показателем —1/3 при сильном возбуждении в результате экранирования потенциала заряженных примесей вырожденным электронным газом.
-
Модель излучательных переходов в легированных полупроводниковых сверхрешетках с учетом возникающих из-за флуктуации электростатического потенциала хвостов плотности состояний, позволяющая описать длинноволновое крыло спектров испускания.
-
В п-г-р-г-кристаллах отношение коэффициента диффузии к подвижности носителей тока в зависимости от концентраций донорных и акцепторішх примесей и толщины легированных слоев может проявлять как начальное аномальное уменьшение с ростом уровня возбуждения, связанное с сокращением хвостов плотности состояншг в результате экранирования флуктуирующего электростатического потенциала, так и дальнейшее осциллирующее поведение, обусловленное заполнением вышележащих уровней подзон.
-
В двухсекционном инжекционном лазере на основе 8-легированной сверхрешетки неоднородное возбуждение секций диода позволяет перестраивать длину волны генерации в широком спектральном диапазоне в режимах стационарной генерации, переходного процесса и регулярных пульсаций, в котором возможна также генерация на двух разнесенных длинах волн.
Личный вклад соискателя
Все приведенные в диссертации результаты получены лично соискателем и проанализированы вместе с научными руководителями. Другие соавторы опубликованных работ участвовали в проведении совместных исследований, результаты которых не вошли в диссертацию.
Апробация результатов диссертации
Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на международных и республикал-
ских конференциях и симпозиумах: II, III и IV Междунар. конф. "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1995, 1997, 1999); 5 and 6th Int. Seminars "Nonlinear Phenomena in Complex Systems" (Minsk, 1996, 1997); I и II Межгос. пауч.-тех. конф. "Квантовая электроника" (Минск, 1996, 1998); Всерос. симпоз. "Математическое моделирование и компьютерные технологии" (Кисловодск, 1997); ПБелорусско-Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, 1997); Int. Conf. "Photoconversion: Science and Technologies" (Warsaw, 1997); 2nd GR-I Int. Conf. "New Laser Technologies and Applications" (Olympia, 1997); Int. Conf. "Nanomeeting-97" (Minsk, 1997); Int. Workshop "Mind, Brain & Neurocomputers: Structures, Dynamics and Information Processing" (Minsk, 1997); Int. Conf. " Solid State Crystals - Materials Science and Applications (Zakopane, 1998); Междунар. конф. "Прикладная оптика-98" (С.-Петербург, 1998); Междунар. конф. "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 1998); Междунар. конф. молодых ученых и специалистов "Оптика-99" (С.-Петербург, 1999); XIV Литовско-Белорусском семинаре "Лазеры и оптическая нелинейность" (Прейла, 1999).
Оиубликовашюсть результатов
По результатам выполненных исследований опубликовано 17 научных работ. Из них 8 статей напечатано в научных журналах, 5 статей издано в сборниках и 4 работы представлено в виде тезисов докладов конфереіщий и семинаров. Общее количество страниц опубликованных материалов - 80.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, общей характеристики работы, литературного обзора (глава 1), теоретической части (главы 2-5), заключения и библиографии. Диссертация изложена на 136 страницах малпгаописного текста, содержит 59 рисунков на 36 страницах. Список использовашіьгх источников включает 173 наименования на 14 страницах.
