WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Спонтанное и стимулированное излучение из полупроводниковых пленок CdxHg1-xTe © А.А. Андронов, Ю.Н. Ноздрин, А.В. Окомелькоⶶ, В.С. Варавин¶, Р.Н. Смирнов, Д.Г. Икусов Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 28 февраля 2006 г. Принята к печати 14 марта 2006 г.) Приведены экспериментальные данные по наблюдению спонтанного и стимулированного излучения из тонких эпитаксиальных пленок Cdx Hg1-xTe при оптической накачке с помощью лазера Nd : YAG.

Предложена простая теоретическая модель для описания возникновения инверсии заселенности в этих условиях. Проводятся теоретические оценки параметров в условиях экспериментов.

PACS: 78.45.+h, 78.55.Et, 78.66.Hf 1. Введение можно отнести также работы [10–14]. Использование гетероструктур (в том числе при создании квантовых Полупроводниковые образцы Cdx Hg1-xTe (или КРТ) каскадных лазеров) направлено на уменьшение темпа традиционно используются в инфракрасной техни- безызлучательной рекомбинации (оже-рекомбинации) и ке [1,2]. В настоящее время этот материал прежде на возможность продвижения как в более длинноволновсего применяется для изготовления фотоприемников вую область излучения, так и в область более высоких инфракрасного излучения (см., например, [3,4]). При рабочих температур [5].

этом число работ, в которых исследовалась возможность В данной работе (являющейся продолжением наших использования КРТ и других узкощелевых полупроработ по стимулированному излучению из пленок КРТ, водников для создания активных устройств, например выращенных с помощью осаждения из газовой фазы) лазеров, относительно невелико (см., например, [5,6], а нами предпринята попытка получить стимулированное также ссылки в работах [7,8]).

излучение из пленок КРТ, выращенных с помощью МПЭ Одной из первых публикаций, в которой сообщалось и имеющих довольно толстый однородный по составу о наблюдении стимулированного излучения из довольно слой. Было получено стимулированное излучение на толстых (толщиной около 25 мкм) пленок КРТ, является длинах волн 3-4.5 мкм при температуре жидкого работа [9]. Индуцированное излучение наблюдалось в азота. Этот результат с точки зрения достигнутой длины диапазоне длин волн = 3.8-4.1 мкм при температуре волны находится в одном ряду с лучшими результаT 12 K. В последние годы технология выращивания тами, полученными на гетероструктурах с квантовыми образцов Cdx Hg1-x Te заметно улучшилась. В частности, слоями [5]. При этом следует отметить, что в наших были развиты методы молекулярно-пучковой эпитаксии экспериментах не проводилась оптимизация образцов по (МПЭ) таких соединений и методы изготовления гететолщине и другим геометрическим размерам. Полученроструктур на основе этих соединений. Именно этими ный нами результат показывает возможность создания обстоятельствами можно объяснить тот факт, что нам лазерной структуры для средневолнового инфракрасноудалось продемонстрировать в данной работе наблюдего диапазона излучения на пленках КРТ, выращиваемых ние стимулированного излучения из пленок толщиной методом МПЭ.

около 9 мкм в том же диапазоне длин волн, но уже при температуре T 77 K. О наблюдении стимулированного излучения из пленок Cdx Hg1-xTe при оптической на2. Экспериментальные результаты качке с помощью лазера Nd : YAG недавно сообщалось также в работах [7,8].

Нами изучались спектры излучения из эпитаксиальВ настоящее время существует большой интерес к ных структур на основе CdxHg1-xTe при оптическом исследованиям гетероструктур с квантовыми ямами на возбуждении импульсным лазером Nd : YAG с длиной основе CdxHg1-xTe, которые ставят своей задачей изучеволны излучения pump = 1.06 мкм и длительностью имние возможности получения стимулированного излучепульсов около 80 нс. Излучение лазера накачки прония [5]. К одним из последних работ по наблюдению стиецировалось на образец Cdx Hg1-xTe с максимальным мулированного излучения как при оптической накачке, линейным размером 2-4 мм, помещенный на медный так и при токовой инжекции неравновесных носителей хладопровод, с помощью которого температура образца ¶ варьировалась в диапазоне от комнатной температуры E-mail: varavin@isp.nsc.ru ¶¶ E-mail: okom@ipm.sci-nnov.ru до температуры жидкого азота T = 77 K. С помощью Спонтанное и стимулированное излучение из полупроводниковых пленок Cdx Hg1-xTe рами. После отжига в указанном режиме концентрация дырок составляет (5-8) · 1016 см-3 (при 77 K). В данной работе приводятся экспериментальные данные для образцов в виде прямоугольных пластинок с размером сторон 2–4 мм, вырезанных из эпитаксиальной структуры, параметры которой приведены в таблице.

При малой интенсивности накачки из охлажденного до 77 K образца Cdx Hg1-x Te нами регистрировалось широкополосное спонтанное излучение с длинами волн, меньшими, чем характерная длина волны g, определяемая шириной запрещенной зоны (в данном случае g 4.1мкм). Для спонтанного излучения характерны Рис. 1. Профиль состава (величина x в формуле Cdx Hg1-x Te) по толщине пленки, измеренный автоматическим эллипсо- не слишком большая величина его интенсивности и дометром в процессе роста, для эпитаксиальной структуры вольно широкий спектр, ширина которого, как известно КРТ040226 (см. таблицу). Толщина d отсчитывается от гра(см., например, [8]), пропорциональна температуре обницы с буферным слоем CdTe.

разца. С увеличением интенсивности фотовозбуждения мы наблюдали резкое возрастание (пороговым образом) интенсивности излучения из образцов. Величина порога по интенсивности фотонакачки, при котором наблюдасферического зеркала излучение из образца КРТ пролось резкое возрастание интенсивности излучения, в наецировалось на щель решеточного монохроматора, на ших экспериментах составляла около 3-4кВт/см2. При выходе из которого сигнал регистрировался с помощью этом наблюдается также резкое сужение спектральной охлаждаемого до азотной температуры фотоприемника полосы излучения. Эти обстоятельства свидетельствуна основе пленки CdxHg1-xTe. Перед фотоприемником ют о возникновении стимулированного излучения (или помещался Ge-фильтр, чтобы избежать попадания рассуперлюминесценции). Спектр стимулированного излусеянного излучения волны накачки на фотоприемник.

чения из образца КРТ при температуре жидкого азота Описание нашей экспериментальной установки можно T = 77 K показан на рис. 2. Длина волны узкополосного найти также в работах [7,8].

стимулированного излучения составляла 4мкм, т. е.

Эксперименты проводились в образцах, выращенных несильно отличалась от g 4.1 мкм. Малость такого с помощью метода МПЭ в Институте физики полупросмещения свидетельствует о том, что неравновесная водников СО РАН. Структуры выращивались на полуконцентрация фотовозбужденных носителей в данном изолирующих подложках GaAs с кристаллографической случае не слишком велика. Оценки показывают, что ориентацией (013) и диаметром 50.8 мм [3,4]. Вначале этот эффект может быть связан с довольно быстрым на подложке выращивался тонкий (около 0.05 мкм) слой ZnTe для сохранения ориентации, а затем буферный слой CdTe толщиной 6-7 мкм. На полученном буфер1 Номер эпитаксиальной структуры КРТном слое выращивались пленка КРТ, имеющая слой с 2 Материал подложки, ориентация GaAs (013) постоянным составом, и варизонные широкозонные слои 3 Толщина буферных слоев на границах пленки. Типичный профиль изменения соZnTe 0.05 мкм става (величины x) по толщине пленки КРТ, измеренный CdTe 6.4 мкм в процессе выращивания с помощью автоматического 4 Толщина нижнего варизонного 1.7 мкм эллипсометра, показан на рис. 1. Наличие варизонслоя CdHgTe ных слоев с увеличением ширины запрещенной зоны 5 Толщина центрального активного 7.3 мкм слоя CdHgTe к границам пленки приводит к уменьшению влияния 6 Толщина верхнего варизованного 0.2 мкм поверхностной рекомбинации на время жизни неравнослоя CdHgTe весных носителей, а также обеспечивает возникновение 7 Тип проводимости Дырочный волновода для генерируемой в структуре электромаг8 Холловская концентрация дырок 5 · 1015 см-нитной волны (в силу зависимости диэлектрической (T = 77 K B = 1Тл) проницаемости от параметра x — см., например, [1]).

9 Холловская подвижность дырок 250 см2/(B · c) После выращивания пленки КРТ имеют электронный (T = 77 K, B = 1Тл) тип проводимости (при температуре 77 K), обусловлен10 Проводимость (T = 77 K) 0.2Ом-1см-ный фоновыми донорами, и концентрация электронов 11 Время жизни неравновесных 60 нс составляет (2-4) · 1014 см-3. Для получения дырочного носителей 0 (T = 77 K) типа проводимости выращенные пленки подвергаются 12 Значение x для активного 0.слоя Cdx Hg1-xTe отжигу в атмосфере инертного газа при температуре 13 Длинноволновая граница 4.1 мкм 240-260C в течение 20 ч. При отжиге в пленке КРТ фотопроводимости 1/2 (T = 77 K) образуются вакансии ртути, которые являются акцептоФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1302 А.А. Андронов, Ю.Н. Ноздрин, А.В. Окомельков, В.С. Варавин, Р.Н. Смирнов, Д.Г. Икусов т. е. 2kT. В то время как полуширина изображенного на рис. 2 спектра оказывается E 12 K, т. е. много меньше температуры T = 77 K. Этот факт является еще одним доказательством того, что спектр, изображенный на рис. 2, является спектром стимулированного излучения.

Аналогичные результаты были нами получены в экспериментах с другими образцами КРТ данной серии.

Длина волны стимулированного излучения в различных образцах изменялась при этом с изменением ширины запрещенной зоны, зависящей от состава образца CdxHg1-xTe. В данных экспериментах на различных образцах нами наблюдалось стимулированное излучение в диапазоне длин волн 3–4.5 мкм.

3. Теоретические оценки Рис. 2. Cпектр стимулированного излучения из образца КРТ040226 (x = 0.34) p-типа проводимости при накачке имСтимулированное излучение может возникнуть, как пульсным лазером Nd : YAG при температуре T = 77 K.

известно, в том случае, если для электронно-дырочной системы полупроводника окажется выполненным условие инверсии населенности на излучательном переходе [15,16]. Для соединения CdxHg1-xTe в окрестности уровня Ферми в равновесной ситуации (при отсутствии, например, фотовозбуждения носителей) структура энергетических зон может быть представлена с помощью схемы, изображенной на рис. 4. Такая схема может использоваться как раз для интересующего нас диапазона изменения состава x, когда КРТ является полупроводником (подробнее см., например, [1]). Схема энергетических зон, изображенная на рис. 4, учитывает наличие только двух энергетических зон, электронной (e) и зоны тяжелых дырок (h). Зонная структура Рис. 3. Cпектр спонтанного излучения из образца КРТ(x = 0.34) p-типа проводимости при накачке импульсным лазером Nd : YAG при температуре T = 273 K.

уменьшением времени жизни носителей при увеличении их концентрации (например, за счет оже-рекомбинации).

Стимулированное излучение наблюдалось нами при температурах T 110 K. А при температурах T > 110 K и интенсивностях фотонакачки около 4 кВт/см2 генерация стимулированного излучения исчезaла и наблюдалось лишь спонтанное излучение из образцов: резко уменьшалась интенсивность и излучение становилось широкополосным. На рис. 3 изображен спектр спонтанного излучения из образца КРТ при комнатной темпераРис. 4. Энергетическая схема, используемая в расчетах: зона туре. Полуширина спектра спонтанного излучения пропроводимости (e) и валентная зона (h). Прямые межзонные порциональна температуре. С этим хорошо согласуется переходы из зоны проводимости в валентную зону (зону изображенный на рис. 3 спектр, полуширина которого тяжелых дырок) являются разрешенными в Cdx Hg1-x Te. g — в температурных единицах составляет E 500-600 K, ширина запрещенной зоны.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Спонтанное и стимулированное излучение из полупроводниковых пленок Cdx Hg1-xTe CdxHg1-xTe включает в себя также (см. [1]) зону легких приближении мы воспользуемся методом эффективных дырок и спин-отщепленную зону. Но для исследования параметров. Будем считать, что, благодаря достаточно возможности возникновения инверсии населенности мы сильному электрон-электронному рассеянию, функции эти зоны рассматривать не будем. Мы поступим так распределения носителей имеют в условиях оптичепотому, что спин-отщепленная зона находится суще- ской накачки квазиравновесный вид (функции Ферми– ственно ниже по энергии по сравнению с областью, Дирака), но для каждого сорта носителей существуют изображенной на рис. 4. Что касается зоны легких при этом свои значения эффективных температур и дырок, то хотя ее экстремум и совпадает с экстремумом химических потенциалов: Te, µe — для электронов и зоны тяжелых дырок, но плотность состояний в этой Th, µh — для дырок. Так что функции распределения зоне намного меньше. Поэтому нас будут интересовать электронов и дырок в этом приближении имеют вид прямые излучательные межзонные переходы из зоны e - µe -проводимости в зону тяжелых дырок, как это схематично f (e) = exp + 1, e показано на рис. 4. Строго говоря, учет зоны легких kTe дырок может быть важен при точном вычислении веh - µh -роятности оже-рекомбинации в CdxHg1-xTe, так как при f (h) = exp + 1. (1) h оже-рекомбинации (см., например, [17]) законы сохране- kTh ния энергии импульса легче выполняются для перехода При таком способе описания эффективные параметры в частицы из зоны проводимости в зону легких дырок.

формулах (1) и концентрации электронов n и дырок p Но это обстоятельство будет нами учитываться фенодолжны быть теперь определены с помощью условий менологически, путем введения характерного времени баланса числа частиц и энергии.

жизни, определяемого в образцах p-типа достаточно Для того чтобы упростить нахождение эффективных хорошего качества механизмом оже-рекомбинации [18].

параметров, сделаем еще одно приближение. В рассматИтак, рассмотрим прямой межзонный переход из зоны риваемых нами узкощелевых полупроводниках эффекпроводимости в зону тяжелых дырок, соответствующий тивная масса электронов me намного меньше массы частоте. Для того чтобы вычислить коэффициент уситяжелых дырок mh. Тогда при интенсивном оптическом ления, соответствующий такому переходу, необходимо возбуждении носителей естественно предположить, что прежде всего описать функции распределения электростатистика электронов в зоне проводимости может быть нов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне вырожденной: в силу малой плотности состояний для соответственно. Энергии электронов и дырок мы будем электронов возможно выполнение условия Te/µe 1.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.