Введение к работе
Актуальность темы. Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда во многих случаях сопутствуют физическим процессам, протекающим в различных полупроводниковых приборах, в том числе в полупроводниковых лазерах. Современные полупроводниковые лазеры – это, главным образом, лазеры на основе наноструктур с квантовыми ямами (КЯ). Их широкое использование в телекоммуникационных системах, спектроскопии, экологическом мониторинге, медицине определяет актуальность исследования процессов рекомбинации и разогрева носителей заряда в КЯ. Для оптимизации параметров полупроводниковых лазеров важно понять, какие процессы влияют на время жизни и рекомбинацию неравновесных носителей заряда. Характеристики инжекционных лазеров определяются соотношением между вероятностями излучательной и безызлучательной рекомбинации. Одним из видов безызлучательной рекомбинации, которая ухудшает характеристики лазеров, является оже-рекомбинация [1, 2]. При конструировании лазеров и оптимизации параметров лазерных структур необходимо знать механизмы релаксации и рекомбинации носителей заряда, в частности, характеристики оже-рекомбинации, которая при определенных условиях может принять резонансный характер, что приводит к заметному росту скорости безызлучательной рекомбинации [1]. Кроме этого, исследование указанных процессов интересно и с физической точки зрения: оно расширяет наши знания о физике наноматериалов, процессах взаимодействия фононной и электронной систем в условиях размерного квантования. При оптической или токовой инжекции носителей заряда в активную область лазерной наноструктуры носители заряда имеют избыточную энергию. Они попадают на нижний уровень размерного квантования либо теряя энергию благодаря рассеянию на фононах, либо отдавая ее носителям заряда на нижнем уровне при электрон- дырочном и электрон-электронном столкновениях. В последнем случае носители заряда на нижнем уровне характеризуются функцией распределения с характерной температурой, превышающей температуру решетки, т.е. носители заряда разогреваются. Это имеет негативное последствие: характеристики лазера ухудшаются [3, 4]. Экспериментальное и теоретическое исследование процессов энергетической релаксации и разогрева носителей заряда позволяет оптимизировать дизайн структур с целью уменьшения негативного влияния разогрева на характеристики мощных лазеров на квантовых ямах.
Основной целью диссертационной работы является исследование процессов рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами и выработка рекомендаций по улучшению характеристик инжекционных лазеров на средний инфракрасный диапазон спектра. В связи с этим решались следующие задачи:
1. Исследование процессов рекомбинации в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb с разными ширинами квантовых ям и разными составами материалов твердых растворов барьеров. Анализ влияния данных параметров структур на скорость оже-рекомбинации и характеристики лазеров на их основе.
2. Определение времен жизни неравновесных носителей заряда по отношению к резонансной оже-рекомбинации, времен захвата в квантовые ямы и времен испускания оптических фононов в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb.
3. Анализ влияния разогрева носителей заряда в КЯ InGaAsSb/InAlGaAsSb и накопления дырок в волноводе на характеристики лазерных структур в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Исследование явления разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs с различным типом легирования и в наноструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами GaAs/AlGaAs при разных уровнях оптической накачки. Сравнение экспериментально определенных значений электронной температуры со значениями, рассчитанными из совместного решения уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния и рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных фононов.
4. Исследование разогрева носителей заряда при оптическом возбуждении в латеральных электрических полях и в отсутствии поля по спектрам фотолюминесценции наноструктур с туннельно-связанными квантовыми ямами GaAs/AlGaAs.
Основные полученные в работе результаты:
1. Из анализа динамики фотолюминесценции в пикосекундном диапазоне при оптической накачке фемтосекундными импульсами лазерного излучения определены доминирующие механизмы релаксации и рекомбинации носителей заряда в лазерных структурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb.
2. Впервые в структурах с КЯ InGaAsSb/InAlGaAsSb экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации с участием электрона зоны проводимости и двух дырок валентной зоны с забросом одной дырки в зону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием.
3. Изучено влияние ширины и глубины квантовой ямы на скорости рекомбинации и релаксации носителей заряда, фотовозбужденных в области барьера и в области КЯ.
4. Проведен анализ разогрева и изменения концентрации носителей заряда в лазерных структурах с КЯ InGaAsSb/InAlGaAsSb в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Рост концентрации носителей заряда с ростом тока в режиме генерации стимулированного излучения объяснен разогревом носителей заряда и ростом внутренних потерь при поглощении света дырками в волноводе.
5. По спектрам фотолюминесценции экспериментально определена температура носителей заряда в наноструктурах с КЯ GaAs/AlGaAs, легированными донорными, акцепторными примесями и нелегированными, а также с туннельно-связанными КЯ GaAs/AlGaAs. Для данных структур рассчитана скорость потерь энергии горячими двумерными носителями заряда при рассеянии на оптических фононах. Проведен расчет электронной температуры при совместном решении уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния и рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных оптических фононов в КЯ.
6. В структурах с туннельно-связанными КЯ GaAs/AlGaAs экспериментально обнаружена модификация спектров фотолюминесценции в продольном электрическом поле, которая объясняется рядом факторов: уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования, увеличением концентрации электронов на втором уровне и резонансным захватом электронов на примесный уровень.
Научная значимость работы. В работе детально исследована динамика фотолюминесценции в лазерных структурах с КЯ InGaAsSb/InAlGaAsSb в широком диапазоне параметров КЯ. Впервые в структурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации. Экспериментально и теоретически исследован разогрев носителей заряда в КЯ InGaAsSb/InAlGaAsSb и GaAs/AlGaAs при оптическом возбуждении электронно-дырочных пар. Исследовано влияние продольного электрического поля на спектры фотолюминесценции наноструктур с КЯ GaAs/AlGaAs, связанное с перераспределением электронов между уровнями размерного квантования.
Практическая значимость работы определяется сделанными в работе рекомендациями по подавлению оже-рекомбинации с целью улучшения характеристик инжекционных лазеров на средний инфракрасный диапазон спектра (длина волны излучения 2 – 5 мкм), работающих при комнатной температуре в непрерывном режиме и имеющих выходную мощность, превышающую 0,1 Вт. Результаты исследования разогрева носителей заряда в структурах с КЯ могут быть использованы при конструировании источников, детекторов и модуляторов излучения среднего инфракрасного диапазона.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально обнаруженное увеличение скорости рекомбинации с ростом интенсивности оптической накачки в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb при определенном наборе параметров квантовых ям связано с проявлением резонансной оже-рекобминации.
2. В инжекционных лазерах на основе квантовых ям InGaAsSb/InAlGaAsSb при высоких уровнях оптической накачки не происходит стабилизации концентрации носителей заряда на основном уровне размерного квантования в режиме генерации стимулированного излучения вследствие разогрева носителей заряда и роста оптических потерь в волноводе с увеличением тока.
3. Экспериментально определенная температура оптически возбужденных носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs с разным типом легирования и разной геометрией квантовых ям в значительной степени определяется электрон-электронным взаимодействием, рассеянием фотовозбужденных носителей заряда на оптических фононах и эффектом накопления неравновесных оптических фононов.
4. Изменения в экспериментально наблюдаемых спектрах фотолюминесценции туннельно-связанных квантовых ям GaAs/AlGaAs в сильном продольном электрическом поле связаны с разогревом электронов и их захватом на примесный уровень.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII, XIV – XVI Международных Симпозиумах "Нанофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород 2008, 2010 – 2012), IX, XI – XIII Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург 2007, 2009 – 2011), 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Montpellier 2009), IX, X Российских конференциях по физике полупроводников (Новосибирск - Томск 2009, Нижний Новгород 2011), 18th – 20th International Symposium ”Nanostructures: Physics and Technology” (St. Petersburg 2010, Ekaterinburg 2011, Nizhny Novgorod 2012), XXXVI – XL неделях науки СПбГПУ (Санкт-Петербург 2007 – 2011), 2, 3 Российских Симпозиумах "Полупроводниковые лазеры: физика и технология" (Санкт-Петербург 2010, 2012), 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (Zurich, Switzerland 2012).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 статьях и тезисах докладов, среди которых 7 статей в ведущих рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях и 12 тезисов докладов на российских и международных конференциях. Список публикаций приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в проведении экспериментальных измерений, анализе и обсуждении результатов исследований, представлении результатов на конференциях и семинарах, подготовке статей к публикации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка публикаций автора, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 187 страниц, в том числе 78 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 76 наименований.
