Введение к работе
Актуальность темы. Огромный успех полупроводниковой опто-электроники за последние четверть века продолжает стимулировать фундаментальные исследования в области теории полупроводников. Одним из важнейших направлений таких исследований является изучение процессов рекомбинации неравновесных носителей в низкоразмерных системах.
При высоких концентрациях носителей беспороговый механизм оже-рекомбинации в гетероструктурах с квантовыми ямами является одним из основных процессов безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей [1]. Исследование беспороговых процессов оже-рекомбинации принципиально важно для анализа времени жизни неравновесных носителей з низкоразмерных структурах. Б длинноволновых лазерах (А > 1.3 мкм) на квантовых ямах беспороговые оже-процессы приводят к существенному увеличению порогового тока при высоких температурах и к уменьшению внутреннего .квантового выхода излучения. Теоретическое исследование процессов оже-рекомбинации с целью уменьшения их влияния на пороговые характеристики таких лазеров приобрело особую актуальность в последнее время в связи с успехами технологии выращивания гетероструктур с напряженными квантовыми ямами. В узкощелевых полупроводниках в присутствии квантующего магнитного поля процесс беспороговой оже-рекомбинации контролирует время жизни неравновесных носителей при определенных значениях магнитного поля, что проявляется в спектрах люминесценции при низких температурах.
Таким образом, исследование беспороговых процессов оже-рекомбина ден в полупроводниковых гетероструктурах представляет собой актуальную задач)' как с научной, так и с практической точек зрения. Сказанное выше обуславливает актуальность темы данной диссертации.
Целью настоящего исследования является теоретическое исследование процессов беспороголой оже-рекомбинации в различных полупроводниковых гетероструктурах, а также в полупроводниках в присутствии квантующего магнитного поля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые исследован процесс беспороголой оже-рекомбип.щин
в полупі эводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами с напряженными слоями.
-
Установлено, какое влияние па скорость оже-рекомбинации в гетероструктурах с напряженными квантовыми ямами оказывают эффекты взаимной трансформации легких и тяжелых дырок.
-
Разработан и реализован подход для микроскопического расчета скорости оже-рекомбинации в напряженных гетероструктурах с квантовыми ямами с учетом основных особенностей реальной зонной структуры.
-
Впервые исследован механизм оже-рекомбинации в гетероструктурах II іива с квантовыми ямами и выявлены основные его отличия от механизма оже-рекомбинации в гетероструктурах I типа.
-
Впервые обнаружен и исследован механизм беспороговой оже-рекомбинации в полупроводниках в присутствии квантующего магнитного поля.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Вычисленные в рамках многозонной модели Кейна интегралы перекрытия между состояниями частиц, участвующих в процессе оже-рекомбинации зависят от величины упругого напряжения и параметров квантовой ямы (ширины, зысот гетеробарье-ров для электронов и дырок). Интеграл перекрытия электрон-дырка является нелинейной функцией продольной компоненты преданного импульса, причем упругое напряжение как качественно, так и количественно влияет па эту зависимость.
-
Скорость беспорогового канала оже-рекомбинации в квантовых ямах I типа зависит от величины упругого напряжения и параметров квантовой ямы (ширины, высот гетеробарьеров для электронов и дырок). Для реальных гетероструктур на основе твердых растворов InGaAlAs. InGaAsP и InAlAsSb скорость ио(порогового оже-процесса уоывает с увеличением величины упругого напряжения сжатия. Скорость беспорогового канала ожс-рекомбинации резко убывает с ростом ширины квантовой
яї.іьі, а при определенных условиях скорость оже-рекомбинации имеет максимум при малых толщиьах квантовой ямы.
-
Механизмы оже-рекомбинации в гетероструктурах I и II типов принципиально различны. В гетероструктурах II типа существуют два канала рекомбинации электронов и дырок, которые деструктивно интерферируют между собой. В гетероструктурах II типа скорость оже-рекомбинации имеет минимум как функция отношения высот гетеробарьероз для электронов и дырок, при этом имеет место подавление процесса оже-рекомбинации в гетероструктурах II типа по сравнению с гетероструктурами I типа.
-
В объемных полупроводниках в присутствии квантующего магнитного поля процесс оже-рекомбинации является беспороговым при определенных значениях магнитного поля. При этом оже-процесс носит резонансный характер, а его скорость являємся степенной функцией температуры.
Практическая ценность. Результаты работы могут быть применены для оптимизации полупроводниковых лазерных структур с целью уменьшения пороговой плотности тока, увеличения внутреннего квантового выхода излучения лазеров на их основе, излучающих в диапазоне длин волн А > 1.3 мкм. Как показано в настоящей работе, скорость беспороговой оже-рекомбинации существенно зависит от параметров гетероструктуры. Следовательно, путем выбора оптимальных параметров лазерной структуры можно добиться уменьшения вклада тока оже-рекомбинации в полный пороговый ток-лазера, ч о позволит улучшить температурные характеристики лазера и увеличить квантовый выход излучения. Исследования процессов рекомбинации носителей в гетероструктурах типа II, выполненные в настоящей работе, позволяют рекомендовать такие структуры для создания инфракрасных лазеров, работающих при высоких температурах (вплоть до комнатной и выше). Создание таких лазеров чрезвычайно актуально в настоящее время, так как лазе-ры,работающие в инфракрасной области спектра при температуре, близкой к комнатной,имоют потенциально широкую область применения, в частности, в задачах охраны окружающей среды.
АпробаціїЯ работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе.а также на следующих международных научных конференциях: 16-th Pekar International Conference on Theory of Semiconductors (Donetsk-Odessa, 1994); Photonics West Technical Conference, Symposium on Lasers and Applications (San Jose, USA, 1995,1996,1997); "Nanostructures: Physics and Technology", International Symposium (St.-Petersburg, 1995,1996); International Semiconductor Conference (CAS) (Sinaja, Romania, 1995,1996); International Conference "Mid-Infrared Optoelectronics" (Lancaster University, United Kingdom, 1996).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 12-ти печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений и списка литературы. Список литературы содержит 69 наименований. Объем диссертации составляет 121 страницу, в том числе 20 рисунков.
