WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 12 Индуцированное и спонтанное излучение структур CdxHg1-xTe в диапазоне 3.2-3.7 мкм при 77 K ¶ ¶¶ © Ю.Н. Ноздрин, А.В. Окомельков, А.П. Котков, А.Н. Моисеев, Н.Д. Гришнова Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 5 мая 2004 г. Принята к печати 17 мая 2004 г.) Приводятся результаты наблюдения индуцированного излучения образцов CdxHg1-x Te при оптической накачке с помощью импульсного Nd : YAG-лазера при температуре T 77 K. В диапазоне длин волн 3300-3600 нм наблюдалось как стимулированное, так и спонтанное излучение. Приводятся экспериментальные спектры излучения. Обсуждаются свойства спектров изучаемых образцов, а также возможные применения.

1. Введение ные переходы носителей оказываются разрешенными).

Носители в нем могут обладать довольно большим В настоящее время во всем мире существует большой временем жизни (при достаточно большой величине интерес к созданию активных устройств (лазеров) и ширины запрещенной зоны).

фотоприемников, работающих в среднем и дальнем инСэтой точки зрения лазерына КРТ, если быони были фракрасных (ИК) диапазонах длин волн ( 3-20 мкм).

созданы для достаточно широкого диапазона стехиометОсвоение этого диапазона представляет интерес, в частрических составов, могли бы составить конкуренцию ности:

каскадным лазерам. Одиночная пленка КРТ в значитель— для целей связи, так как в этом диапазоне существуют ной степени проще, чем полупроводниковая квантовая „окна прозрачности“ земной атмосферы (3.5-4мкм, сверхрешетка каскадного лазера. При этом сама пленка 4.5-5мкм, 8-14 мкм и 16-23 мкм);

КРТ является волноводом в силу большой величины ди— для спектроскопии и мониторинга окружающей электрической проницаемости материала КРТ (15-20), среды, так как в этом диапазоне находятся частоты что при создании лазера может способствовать формиколебательно-вращательных переходов многих молекул.

рованию резонаторных мод за счет полного внутреннего К немногим реально работающим в этом диапазоне отражения на границах пленки. Кроме того, здесь, в активным устройствам относятся полупроводниковые отличие от структур квантовых каскадных лазеров, нет лазерные диоды, а также квантовые каскадные лазе- необходимости с помощью прецизионной технологии ры. В силу принципа работы устройств и те, и дру- выращивать квантово-размерные слои — типичная толгие являются существенно неоднородными структурами.

щина пленок КРТ обычно составляет от нескольких до В лазерных диодах необходимо создание p-n-переходов, десятков микрометров. Технология изготовления высоа в квантовых каскадных лазерах — квантовых по- кокачественных эпитаксиальных пленок КРТ в настоялупроводниковых сверхрешеток с довольно большим щее время уже достаточно хорошо отработана в связи количеством (обычно от одного до нескольких десятков) с изготовлением ИК фотоприемников. Основными метоквантово-размерных слоев. Это обстоятельство делает дами выращивания эпитаксиальных слоев КРТ в настосоздание таких структур весьма сложным и приводит ящее время являются жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), к их большой стоимости. Как известно, характерные молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и химическое частоты излучательных межзонных переходов в пленках осаждение из паров металлорганических соединений узкощелевых полупроводников, например CdxHg1-x Te (MOCVD). Авторами данной статьи измерения прово(КРТ), могут находиться в том же диапазоне, что и дились на структурах, выращенных в Институте химии в квантовых каскадных лазерах. Более того, в настовысокочистых веществ Российской академии наук, где ящее время чаще всего синтезируются образцы КРТ разрабатывается MOCVD-метод изготовления эпитакситакого стехиометрического состава, что характерные альных слоев КРТ различных стехиометрических состачастоты излучательных межзонных переходов (опредевов [1,2].

ляемые шириной запрещенной зоны Eg) „попадают“ Исследования по созданию лазеров на КРТ проводикак раз в диапазон среднего ИК излучения. Материал лись ранее, однако они были немногочисленными, и в КРТ можно рассматривать как довольно перспективный результате многие фундаментальные вопросы остались для получения стимулированного излучения, так как он невыясненными (например, вопросы о том, насколько является прямозонным (прямые излучательные межзонвозможно продвижение в длинноволновую область и в ¶ область высоких температур). Спонтанное и когерентE-mail: okom@ipm.sci-nnov.ru ¶¶ E-mail: kotkov@ihps.nnov.ru ное излучение кристаллов Cdx Hg1-xTe при оптическом 1420 Ю.Н. Ноздрин, А.В. Окомельков, А.П. Котков, А.Н. Моисеев, Н.Д. Гришнова возбуждении полупроводниковым лазером на основе GaAs впервые наблюдали в работе [3] (см. также [4,5]).

Индуцированное излучение наблюдалось в диапазоне длин волн = 3.8-4.1 мкм при температуре T 12 K, а спонтанное излучение регистрировалось до длины волны 15 мкм.

В [6] сообщалось о создании лазеров с оптической накачкой, которые излучали в области длин волн от 1.25 до 2.97 мкм при температуре жидкого азота. Непрерывная генерация на длине волны 2.79 мкм была получена при температуре 12 K. Стимулированное излучение пленок КРТ для x = 0.5 на длине волны 2.13 мкм наблюдалось в работе [7]. При этом пороговая мощность возбуждения была 10 кВт / см2 при температуре жидкого азота.

Стимулированное излучение пленок КРТ с x = 0.46, выращенных на подложке из полуизолирующего теллурида кадмия, наблюдалось в работе [8]: генерация на Рис. 1. Спектральный состав излучения образца CdxHg1-x Te длине волны 2.42 мкм при накачке лазером Nd : YAG с при T 77 K (образец МСТ 638 / 1, x = 0.376). Фотоприеммощностью излучения выше 2.8 кВт / см2 при температуник — образец МСТ 641 / 1, x 0.272. Штриховая линия — ре 10 K.

спектр при интенсивности фотовозбуждения меньше порогоКак видно из приведенных здесь данных, при темпера- вой величины (P < 4 кВт / см2). При интенсивностях фотонатуре жидкого азота максимальная длина волны наблюда- качки P 4 кВт / см2 на фоне этого пьедестала проявляется узкая линия, изображенная на рисунке сплошной линией.

емого стимулированного излучения составляла 2.97 мкм.

Обычно это связывают с тем, что при более узких запрещенных зонах (для относительно маленькой величины x, x 0.2 и меньше) относительная роль безызлуслоя проецировалось на входную щель стандартного чательных переходов, связанных с оже-рекомбинацией, монохроматора. На выходе монохроматора сигнал ревозрастает (см. [9]), хотя, по-видимому, может сущегистрировался охлаждаемым до температуры жидкого ствовать ограничение на частоту генерации, связанное с азота фотоприемником. В качестве фотоприемника исбезызлучательной рекомбинацией с участием примесей.

пользовался также образец CdxHg1-x Te с подходящим В этом случае, очевидно, для более совершенных и стехиометрическим составом. При необходимости перед чистых от примесей образцов можно было бы надеяться фотоприемником помещались фильтры из Ge, позволяна получение лазерного эффекта в диапазоне и более ющие подавить рассеянное излучение накачки. Сигнал с длинных волн. При этом важным неисследованным вопросом является также проблема оптимизации тол- фотоприемника подавался на осциллограф, который синщины образцов. Полученные нами экспериментальные хронно запускался импульсом накачки Nd : YAG-лазера.

результаты показывают, что в исследуемых пленках КРТ На рис. 1 изображен один из наблюдавшихся нами возможно наблюдение электромагнитного излучения на спектров излучения (в виде сигнала на фотоприемнике меньших частотах и при существенно более высоких в зависимости от длины волны) образца CdxHg1-x Te температурах, чем раньше.

(образец МСТ 638 / 1) с x 0.376: толщина образца h 8.9 мкм, температура T = 77 K; образец имел проводимость p-типа, выращен на подложке GaAs с кристал2. Экспериментальные данные лографической ориентацией (111). Образец имел фори их обсуждение му равностороннего треугольника со стороной 5 мм.

При интенсивностях оптической накачки P < 4кВт/ смВ настоящей статье приводятся экспериментальные спектр имеет вид довольно широкого пьедестала не данные об электромагнитном излучении, получаемом слишком большой амплитуды, что показано штрихона эпитаксиальных слоях CdxHg1-x Te при температуре вой линией на рис. 1. При интенсивностях накачки жидкого азота и импульсной оптической накачке с помоP 4кВт/ см2 на фоне пьедестала проявляется узкая щью Nd : YAG-лазера ( = 1.064 мкм). Нами использовалиния. Пьедестал естественно ассоциировать со спонлись образцы CdxHg1-x Te толщиной от нескольких едитанным излучением, а узкую линию — со стимулиниц до десятка микрометров на подложках из полуизолированным излучением (суперлюминесценцией). Таким рующего GaAs с буферным слоем высокоомного CdTe.

образом, мы наблюдали эффект сужения спектра излуФотовозбуждение образцов, расположенных на медном хладопроводе, осуществлялось со стороны эпитаксиаль- чения при интенсивностях фотовозбуждения выше поного слоя. С помощью металлического сферического рогового значения, которое составляло в нашем случае зеркала излучение со стороны торца эпитаксиального P 4кВт/ см2.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Индуцированное и спонтанное излучение структур Cdx Hg1-xTe в диапазоне 3.2-3.7 мкм при 77 K Наиболее близким к этому является результат, пред- неоднородности свидетельствует также наблюдаемая в ставленный в работе [8]. Спектральная линия стимули- большинстве образцов „неправильная“ форма линии рованного излучения в [8] соответствует длине волны (в частности, спектр, показанный штриховой кривой на 2420 нм, а ширина почти совпадает с шириной рис. 2). Существующий некоторый разброс в условилинии, изображенной на рис. 1. Важно отметить, что ях фотовозбуждения (засветка соседних неоднородных измерения в работе [8] проводились при температу- участков) приводит к неоднородно уширенной линии ре T = 12 K, тогда как наши измерения проводились суперлюминесценции.

при температуре T 77 K. Тот факт, что в нашем Рассмотрим простую оценку зависимости ширины эксперименте температура была в 6-7 раз больше, линии спектра спонтанного излучения от температуа ширина спектральных линий практически совпадает ры для пространственно-однородного образца и случая, (ширина 50-60 нм), подтверждает нашу интерпре- когда имеет место резкий край поглощения. Известно тацию спектральной линии как линии стимулированного (см., например, [11]), что для спектральной зависимости излучения.

интенсивности фотолюминесценции (спонтанного излуВ наших экспериментах поверхность образцов засвечения) в этом случае справедлива формула чивалась не полностью (различные участки поверхно сти). Поэтому мы фактически измеряли спектры супер- ( - Eg)1/2 exp - -Eg при >Eg, kB люминесценции из разных засвеченных областей. До- IPL( ) 0при

вольно большая простота наблюдения стимулированного излучения (даже при отсутствии резонатора) свидетельОтсюда следует, что ширина линии спонтанного излучествует о наличии достаточно большого коэффициента ния составляет усиления в системе. Это согласуется с теоретической оценкой: по оценкам [10] коэффициент усиления может ( ) (2-3)kBT. (1) достигать значений 103 см-1.

На рис. 2 показаны спектры излучения различных Для азотной температуры нашего эксперимента это образцов, изготовленных из одной и той же пленки составляет в температурных единицах приблизительно CdxHg1-x Te с x 0.376, а также спектральные линии, 160-240 K.

получающиеся при засветке различных участков одного Очевидно, что (1) являетя оценкой снизу на ширину и того же образца. Из рис. 2 видно, что эти спектральные линии спонтанного излучения, так как при этом не линии несколько различаются между собой положением учитывается возможный разогрев образца. В наших максимума max, шириной и формой. Разброс значений экспериментах типичные интенсивности (как и в [8]) max, отосящихся к различным областям пленки, собыли довольно большими. Так, порог по интенсивноставляет 3.6%, что, по-видимому, свидетельствует о сти накачки для возникновения стимулированного изнеоднородности данной пленки CdxHg1-x Te, т. е. флуктулучения соответствовал приблизительно P 4кВт/ см2.

ации состава (нестехиометричность) исследованных обКроме того, возможно дополнительное уширение линии разцов составили 3-4%. О наличии пространственной спонтанного излучения, связанное с пространственной неоднородностью твердого раствора CdxHg1-x Te (а потому с пространственной неоднородностью ширины запрещенной зоны).

В температурных единицах ширина спектральной линии (на уровне половины максимальной интенсивности, 0.5 Imax) и пьедестала в спектре, изображенномна рис. 1, составляют 86 и 400 K соответственно. Эти оценки показывают, что ширина узкой линии в 2-3 раза меньше оценки для „идеальной“ линии фотолюминесценции и потому не может быть спектром спонтанного излучения.

В то же время ширина пьедестала по частоте больше „идеальной“ оценки, так что этот пьедестал может быть спектром спонтанного излучения. Отметим еще раз, что во всех известных работах (например, [3,6–8]) спектр имеет как раз такой вид: на фоне широкого пьедестала, определяемого спонтанным излучением, проявляется узкая линия стимулированного излучения.

На рис. 3 приведены зависимости интенсивности изРис. 2. Спектральный состав излучения образцов Cdx Hg1-x Te:

лучения образца CdxHg1-x Te (в полосе приемника с зависимость интенсивности излучения от длины волны. Разшириной запрещенной зоны, соответствующей длине личные кривые — различные излучатели из одной пленки CdxHg1-x Te (образец МСТ 638 / 1, x 0.376). волны 6мкм) МСТ 638 / 1 с x 0.376 при T = 77 K от Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1422 Ю.Н. Ноздрин, А.В. Окомельков, А.П. Котков, А.Н. Моисеев, Н.Д. Гришнова В заключение авторы выражают признательность А.А. Андронову за интерес к работе и полезные обсуждения.

Список литературы [1] А.Н. Моисеев, А.П. Котков, В.В. Дорофеев, Н.Д. Гришнова. Неорг. матер., 40 (1), 1 (2004).

[2] К.О. Болтарь, Н.И. Яковлева, В.П. Головин, В.П. Пономаренко, В.И. Стафеев, И.Д. Бурлаков, А.Н. Моисеев, А.П. Котков, В.В. Дорофеев. Прикл. физика, № 5, (2003).

[3] I. Melngailis, A.J. Strauss. Appl. Phys. Lett., 8 (7) 179 (1966).

[4] R. Dornhaus, G. Nimtz. In: Springer Tracts in Modern Physics (1978) v. 78, p. 1.

[5] Н.С. Барышев. Свойства и применение узкозонных полупроводников (Казань, УНИПРЕСС, 2000).

Рис. 3. Интенсивность излучения Cdx Hg1-x Te (образец [6] T.C. Hartman. J. Electron. Mater., 8 (2), 191 (1979).

МСТ 638 / 1, x 0.376) при T = 77 K в зависимости от [7] В.И. Иванов-Омский, К.Е. Миронов, Р.Б. Рустамов, интенсивности оптической накачки. В.А. Смирнов. Письма ЖТФ, 10 (16), 1021 (1984).

[8] K.K. Mahavadi, J. Bleuse, X. Chu, J.P. Faurie. Appl. Phys.

Lett., 55 (13), 1285 (1989).

Pages:     || 2 |



© 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.