Люминесценция и поглощение излучения среднего ИК диапазона в наноструктурах с квантовыми ямами в условиях разогрева носителей заряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Тхумронгсилапа Папхави

• Тхумронгсилапа Папхави
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тхумронгсилапа Папхави

Введение

Глава I Концентрация и температура носителей заряда в режимах спонтанного и индуцированного излучения из лазерных структур с квантовыми ямами InGaAs/GaAs

1.1 Введение.

1.2 Дизайн лазерных структур и основные параметры.

1.3 Режим спонтанного излучения.

1.4 Режим стимулированного излучения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Люминесценция и поглощение излучения среднего ИК диапазона в наноструктурах с квантовыми ямами в условиях разогрева носителей заряда»

2.2 Наноструктуры и методика исследований.45

2.3 Время жизни носителей заряда при разных оптической накачки и температурах решетки.50

2.4 Время жизни по отношению к оже-рекомбинации.56

2.5 Заключение.68

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Тхумронгсилапа Папхави

Заключение

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Определены температура и изменение концентрации горячих носителей заряда как функция плотности тока в режимах спонтанного и индуцированного излучения в лазерных напряженных асимметричных структурах In,xGaxAs/GaAs

2. Исследована динамика фотолюминесценции методом "up-conversion", установлены механизмы рекомбинации горячих носителей заряда и найдены их времена жизни по отношению к механизмам Шокли-Рида-Холла, излучательной и оже-рекомбинации в структурах с напряженными

1.7%) квантовыми ямами двух типов: InGaAsSb/AlGaAsSb и InGaAsSb/InAlGaAsSb. Оценен разогрев носителей заряда при оже-рекоминации.

3. Исследованы спектры фотолюминесценции структур с туннельно-связанными квантовыми ямами GaAs/AlGaAs в отсутствии электрического поля при разных температурах решетки и интенсивностях оптической накачки. Из анализа коротковолновой части спектров фотолюминесценции найдена зависимость электронной температуры от уровня оптической накачки. Исследованы спектры изменения фотолюминесценции в продольном электрическом поле.

4. Исследована зависимость изменения межподзонного поглощения света в структурах с легированными квантовыми ямами п- типа GaAs/AlGaAs в латеральных электрических полях. Определена электронная температура Г . Результаты сравниваются с расчетом Те как функции поля с учетом накопления неравновесных оптических фононов.

Список публикаций автора

Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК:

А1]. Воробьев Л.Е. Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК-излучения горячими электронами в квантовых ямах / Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.Л.Зерова, В.А.Шалыгин, М.Я.Винниченко, В.Ю.Паневин, П. Тхумронгсилапа, К.С.Борщев,

A.Е.Жуков, З.Н.Соколова, И.С.Тарасов, G. Belenky, S. Hanna, A. Seilmeier // Известия РАН. Серия Физическая - 2009 - Т. 73 - Вып. 1 - С. 79 - 82.

А2]. Фирсов Д.А. Динамика фотолюминесценции и рекомбинационные процессы в Sb-содержащих лазерных наноструктурах / Д.А.Фирсов, L. Shterengas, G. Kipshidze, Т. Hosoda, В.Л.Зерова, Л.Е.Воробьев, П. Тхумронгсилапа, G. Belenky // Физика и техника полупроводников - 2010 -Т. 44-Вып. 1-С. 53-61. [A3]. Фирсов Д.А. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs / Д.А.Фирсов, Л.Е.Воробьев,

B.А.Шалыкин, А.Н.Софронов, В.Ю.Паневин, М.Я.Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Д.Ганичев, С.Н.Данилов, А.Е.Жуков // Известия РАН. Серия Физическая - 2010 - Т. 74 - Вып. 1 - С. 89 - 92.

Тезисы докладов:

А4]. Тхумронгсилапа Папхави. Модуляция поглощения излучения при межподзонных переходах горячих электронов в туннельно-связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs / Папхави Тхумронгсилапа, Д.А.Фирсов, М.Я.Винниченко // XXXVI Недель науки СПБГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, С.-Петербург, 26 ноября - 1 декабря, 2007. - С. 119-120

А5]. Винниченко М.Я. Модуляция поглощения света в туннельно-связанных квантовых ямах в продольном электрическом поле / М.Я. Винниченко, Тхумронгсилапа Папхави, Д.А. Фирсов// IX Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковй опто- наноэлектроник: Тезисы докладов, С.Петербург, 3 - декабря 2007 - С. 38.

А6]. Воробьев Л.Е. Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК излучения горячими электронами в квантовых ямах / Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Л.Зерова, М.Я.Винниченко, В.Ю.Паневин, Т. Папхави, К.С.Борщев, А.Е.Жуков, З.И.Соколова, И.С.Тарасов, G. Belenky // Материалы XII Международного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 10-14 марта, 2008 - Т. 1 - С. 173- 175.

А7]. Воробьев Л.Е. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs / Л.Е.Воробьев, А.Н.Софронов, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Ю.Паневин, М.Я.Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Д.Ганичев, С.Н.Данилов, А.Е.Жуков // Материалы XIII Международного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 16-20 марта, 2009. - С. 10 - 11.

А8]. Firsov, D.A. Light absorption related to hole transitions in quantum dots and impurity centers in quantum wells under external excitation / D.A. Firsov, L.E. Vorobjev, V.A. Shalygin, A.N. Sofronov, V.Yu. Panevin, M.Ya. Vinnichenko, P. Thumrongsilapa // 16th International Conference on Electron Dynamics In Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures, Montpellier, France, 2428 august, 2009-P. 231.

А9]. Воробьев, Л.Е. Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками р-типа / Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, В.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, М.Я. Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Н. Данилов, А.Е. Жуков, А.И. Якимов, А.В. Двуреченский // IX Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2009»: Тезисы докладов, Новосибирск - Томск, 28 сентября - 3 октября, 2009. - С. 74

А10]. Винниченко М.Я. Исследование фотолюминесценции и рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами / М.Я.Винниченко, Д.А.Фирсов, Тхумронгсилапа Папхави // XI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектроники, С.Петербург, 30 ноября - 4 декабря 2009 - с. 42.

All]. Винниченко М.Я. Исследование Фотолюминесценции и рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами / М.Я.Винниченко, Д.А.Фирсов, Тхумронгсилапа Папхави // XXXVIII Недель науки СПБГПУ: Материалы международной научно-практической конференции, С.-Петербург, 30 ноября - 5 декабря 2009 - С. 166.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тхумронгсилапа Папхави, 2010 год

1. Henry, C.H. Absorbtion, Emission, and Gain Spectra of 1.3 |дт InGaAsP Quarternary Laser / C.H. Henry, R.A. Logan, H. Temkin, F. Ralph Merrit // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1983. - Vol. 19 - no. 6. - Pp. 941 -946.

2. Shah, J. Hot-carrier effects in 1.3 xm In^GaxAsyPi.y light emitting diodes / J. Shah, R.F. Leheny, R.E. Nahory, H. Temkin. // Applied Physics Letters. -1981. Vol. 35 - no. 6 - Pp. 618 - 620.

3. Kim, J.G. Room-temperature 2,5 p.m InGaAsSb/AlGaAsSb diode Lasers emitting 1W continuous waves / J.G. Kim, L. Shterengas, R.U. Martinelly, G.L. Belenky, D.Z. Garbuzov, W.K. Cha // Applied Physics Letters 2002. - Vol. 81-No. 17-Pp. 3146-3148.

4. Kim, J.G. High-Power room temperature continuous wave operation of 2,7 and 2,8 jam In (Al) GaAsSb/GaSb diode lasers / J.G. Kim, L. Shterengas, R.U. Martinelly, G.L. Belenky // Applied Physics Letters 2003. - Vol. 83 - No. 10 -Pp. 1926- 1928.

5. Воробёв, Л.Е. Фотоэлектрические явление в полупроводниках и размерно-квантованных структурах / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, Г.Г. Зегря, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, И.Н. Яссиевич, Е.В. Берегулин СПБ.: Наука, 2001. -247с.

6. Kinsler, P. Intersubband electron-electron scattering in asymmetric quantum wells designed for far-infrared emission. / P. Harrison, R.W. Kelsall // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 58 - no. 8. - Pp. 4771 - 4778.

7. Воробёв, Л.Е. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, Г.Г. Зегря, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, И.Н. Яссиевич, Е.В. Берегулин СПБ.: Наука, 2000. - 157с.

8. Воробьёв, Л.Е. Разогрев электронов сильным продольным электрическимполям в квантовых ямах. / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, В.Л. Зерова, Д.А. Фирсов // Физика и Техника Полупроводников 2003. - Том. 37 - Вып. 5. -С. 604-611.

9. Schubert Fred Е. Light emitting diodes / Fred Schubert E. Cambridge University press, 2003.

10. Соколова З.Н. Расчеты вероятности излучательных переходов и времени жизни в квантово-размерных структурах / З.Н. Соколова, В.Б Халфин. // Физика и Техника Полупроводников — 1989. Том. 23 - Вып. 10. — С. 1806 -1810.

11. Shah, J. Energy-loss Rates for Hot Electrons and Holes in GaAs Quantum wells. / J. Shah, A. Pinczuk, A.C. Gossard, W. Wiegmann // Physics Review Letters 1985. - Vol.54 - no. 18. - Pp. 2045 - 2048.

12. Gupta, R. Hot-electron transport in GaAs quantum wells effect of non-drifting hot phonons and interface roughness. / R. Gupta, N. Balkan, B.K. Ridley // Semiconductors Science Technology — 1992 Vol. 7 - Pp. 274 - 280

13. Bai, Y. Room temperature continuous wave operation of quantum cascade laserswith 12.5% wall plug efficiency / Y. Bai, S. Slivken, S.R.Darvish, M.Razeghi // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 93 - P. 021103.

14. Garbuzov, D.Z. 4 W quasi continuous - wave output power from 2 цт

15. Garcia, M. Low threshold high-power room temperature continuous-wave operation diode laser / M. Garcia, A. Salhi, A. Perona, Y. Rouillard, C. Sirtori, X. Marcadet, C. Alibert //IEEE Photonics Technology Letters 2004 - Vol.16 -Issue. 5-Pp. 1253- 1255.

16. Shterengas, L. Design of high power room - temperature continuous wave

17. GaSb based type I quantum - well lasers with X > 2.5 цт / L. Shterengas, G.L. Belenky, J.G. Kim, R.U. Martinelli // Semiconductor Science and Technology - 2004 - Vol. 19 - Pp. 655 - 658.

18. Belenky G.L. Future Trends in Microelectronics, edited by S. Luryi, J. Xu, A.

19. Zaslavsky, L. Shterengas, J.G. Kim, R.U. Martinelli, L.E. Vorobjev. // John Wiley and Sons, Inc 2004 - Pp. 349 - 356.

20. Shim, K. Band gap and lattice constant of GaxAsi.xInySbiy / K. Shim, H. Rabitz,

21. P. Datta // Journal of Applied Physics 2000 - Vol. 88 - no. 12 - Pp. 7157 -7161.

22. Данилов, JI.B. Теоретическое исследование процессов оже рекомбинациив глубоких квантовых ямах / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря. // Физика и Техника Полупроводников 2008. - Том. 42 - Вып. 5 - С. 566 - 572.

23. Данилов, JI.B. Пороговые характеристики ИК лазера на основе голубоокихквантовых ям InAsSb/AlSb / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря. // Физики и Техника Полупроводников 2008 - Том. 42 - Вып. 5 - С. 573 - 578.

24. Vurgaftman, I. Band parameters for III V compound semiconductors and theiralloys / I. Vurgaftman, J.R. Meyer, R. Ram-Mohan // Journal of Applied Physics 2001 - Vol. 89 - no. 11 - Pp. 5815 - 5875.

25. Shah, J. Ultrafast Luminescence Spectroscopy Using Sum Frequency Generation

26. J. Shah // IEEE Journal of Quantum Electronics 1988 - Vol. 24 - no. 2 -Pp. 276 -288.

27. Raind, G. Subpicosecond timescale carrier dynamics in GalnAsSb/AlGaAsSb /

28. G. Raino, A. Salhi, V. Tasco, R. Intartaglia, R. Cingolani, Y. Rouillard, E. Tournie, M. De Giorgi // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 92 - Pp. 101931 (1-3).

29. Зерова, B.JI. Электрон электронное рассеяние в ступенчатых квантовыхямах / B.JI. Зерова, JI.E. Воробьев, Г.Г. Зегря // Физика и Техника Полупроводников 2003 - Том. 38 - Вып. 6 - С. 716 - 722.

30. Chen, J. Effect of Quantum Well Compressive Strain Above 1% On Differential

31. Gain and Threshold Current Destiny in Type-1 GaSb Based Diode Lasers / J. Chen, D. Donetsky, L. Shterengas, M.V. Kisin, G. Kipshidze, G. Belenky. // IEEE Journal of Quantum Electronics - 2008 - Vol. 44 - no. 12 - Pp. 1204 -1210.

32. Shank, С. V. Spectroscopy of Nonequilibrium Electrons and Phonons. Chapter 3.

33. Non-equilibrium Phonons in Semiconductors.Ed. / C.V. Shank, B.P. Zakharchenya // North-Holland Amsterdam. London. New York. Tokyo 1992.

34. Jang, D.-J. Temperature dependence of Auger recombination in a multilayernarrow band - gap superlattice / J.D. Jang, M. Flatte, C.H. Grein, J.T. Olesberg, T.C. Hasenberg, T.F. Bogges. // Phys. Rev. В - 1998 - Vol. 58 - no. 19-Pp. 13047- 13054.

35. Воробьев, JI.E. Оже-лазер среднего ИК-диапазона на межподзонных переходах носителей заряда в квантовых ямах / JI.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, Г.Г. Зегря. // Известия Академик наук, серия физическая 2001 -Том. 65 - № 2 - С. 230 - 232.

36. Hosoda, Т. Continuous-wave room temperature operated 3.0 цт type I GaSbbased lasers with quinternary AlInGaSb barriers / T. Hosoda, G. Belenky, L. Shterengas, G. Kipshidze, M.V. Kisin // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 92-P. 091106.

37. Shterengas, L. Room temperature operated 3.1 цт type-I GaSb-based diodelasers with 80 mW continuous-wave output power / L. Shterengas, G. Belenky, G. Kipshidze, T. Hosoda // Applied Physics Letters 2008 - Vol. 92 - P. 171111.

38. Воробьев, Л.Е. Кинетические и оптические явления в полупроводниках всильных электрических полях / Л.Е. Воробьев, Д.А. Паршин, В.А. Шалыгин// Ленинград.: ЛПИ- 1988 103 с.

39. Воробьев, Л.Е. Оптические свойства наноструктур. / Л.Е. Воробьев, Е.Л.

40. Ивченко, Д.А. Фирсов В.А. Шалыгин // СПб.: Наука 2000 - 188 с.

41. Leheny, R.F. Semiconductors Probed by Ultrafast Laser Spectroscopy / R.F.1.heny, J. Shah. // Academic Press, New York 1984 - P. 45.

42. Fraizzoli, S. Shallow donor impurities in GaAs-Gal-xAlxAs quantum-wellstructures: Role of the dielectric-constant mismatch / S. Fraizzoli, F. Bassani, R. Buczko // Physics Review В 1990 - Vol. 41 - Pp. 5096 - 5103.

43. Leite, R.C. Radiative Recombination from Photoexcited Hot Carriers in GaAs /

44. R. C. Leite, Jagdeep Shah // Physics Review Letters 1969 - Vol. 22 - Pp. 1304- 1307.

45. Конуэлл, Э. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях / Э. Конуэлл М.: Мир - 1970 - 384 с.

46. Stratton, R. The Influence of Interelectronic Collisions on Conduction and

47. Breakdown in Polar Crystals / R. Stratton // Proc. Royal Soc. bond. 1958 -Pp. 406 - 422.

48. Блекмор, Дж. Статистика электронов в полупроводниках, / Дж. Блекмор1. М.: МИР-1964-392 с.

49. Dupont, Е. Phase and amplitude modulation based on intersubband transitions in electron transfer double quantum wells / E. Dupont, D. Delacourt. // Applied Physics Letters 1993 - Vol. 62 - no. 16 - Pp. 1907 - 1909.

50. Berger, V. Triple quantum well electron transfer infrared modulator / V. Berger, E. Dupont, D. Delacourt // Applied Physics Letters 1993 - Vol. 61 -no. 17-Pp. 2072-2074.

51. Воробьев, Л.Е. Модуляция оптического поглощения квантовых ям GaAs/AlGaAs в поперечном электрическом поле / JI.E. Воробьев, Е.А. Зибик, Д.А. Фирсов В.А. Шалыгин, О.Н. Нащекина И Физика и Техника Полупроводников 1998 - Том. 32 - Вып.7 - С. 849 - 851.

52. Levine, B.F. Tunneling emitter undoped quantum-well infrared photodetector. /

53. B.F. Levine, K.M.S.V. Bandara, M.T. Asorn II Journal Applied Physics 1993 - Vol. 74 - No. 1 - Pp. 346 - 350.

54. Зерова, В.Л. Модуляция межподзонного поглощения света в электрическом поле в туннельно-связанных квантовых ямах / В.Л. Зерова, Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, Е. Towe // Физика и Техника Полупроводников 2007 - Том. 41 - Вып. 5 - С. 615 - 624.

55. Shah J. Semiconductors Probed by Ultrafast Laser Spectroscopy / J Shah, R.F.1.heny 11 Academic Press, New York 1984 - p. 45.

56. Шик А.Я. Физика низкоразмерных структур / А.Я.Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф.

57. Мусихин, С.А. Рыков // СПб.: Наука-2001 160 с.