Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Винниченко, Максим Яковлевич

• Винниченко, Максим Яковлевич
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Винниченко, Максим Яковлевич

Оглавление

Введение

Глава 1 Рекомбинация и захват носителей заряда в лазерных наноструктурах с квантовыми ямами ХпСаАэЗЬЯпАЮаАвЗЬ

1.1 Обзор литературы

1.1.1 Выбор полупроводникового материала для лазера среднего инфракрасного диапазона спектра

1.1.2 Механизмы рекомбинации носителей заряда в квантовых ямах

1.1.3 Методы уменьшения скорости оже-рекомбинации

1.1.4 Постановка задачи исследований

1.2 Методика эксперимента

1.2.1 Образцы

1.2.2 Экспериментальная установка

1.3 Процессы рекомбинации и захвата электронов

1.3.1 Излучательная рекомбинация носителей заряда для выделенной длины волны

1.3.2 Расчет зонной структуры образцов с квантовыми ямами

1.3.3 Скорость оже-рекомбинации в структурах с разной шириной квантовых ям

1.3.4 Оже-рекомбинация в лазерных структурах с четырех и пятикомпонентным барьером

1.3.5 Анализ времен захвата носителей заряда при оптической накачке в области барьера и квантовых ям

1.4 Основные результаты первой главы 91 Глава 2 Разогрев носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами

2.1 Обзор литературы 92 2.1.1 Введение

2.1.2 Оптические методы исследования неравновесных носителей заряда в объемных полупроводниках и в квантовых ямах

2.1.3 Разогрев носителей заряда в квантовых ямах электрическим полем

2.1.4 Влияние неравновесных оптических фононов на скорость рассеяния энергии при разогреве носителей заряда в квантовых ямах

2.1.5 Постановка задачи исследований

2.2 Методика эксперимента

2.2.1 Образцы

2.2.2 Экспериментальные установки

2.3 Эффекты, связанные с разогревом носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами

2.3.1 Скорость рассеяния энергии при взаимодействии двумерных электронов с оптическими фононами

2.3.2 Разогрев и концентрация носителей заряда в лазерных структурах в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке

2.3.3 Экспериментальное определение температуры носителей заряда по спектрам фотолюминесценции

2.3.4 Фотолюминесценция туннельно-связанных квантовых ям в греющем электрическом поле

2.4 Основные результаты второй главы 163 Заключение 164 Список сокращений и условных обозначений 166 Список публикаций автора 167 Список литературы 171 Приложение. Решение скоростных уравнений для концентрации носителей заряда

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы рекомбинации и разогрева носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами»

Введение

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 1пОаАз8Ь/1пАЮаА88Ь 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 МгаАзЗЬЯпАЮаАвЗЬ.

3. Анализ влияния разогрева носителей заряда в КЯ 1пОаА88Ь/1пАЮаАБ8Ь 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 ОаАБ/АЮаАБ с различным типом легирования и в наноструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами ОаАз/АЮаАБ 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 ОаАв/АЮаАв.

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 ГпОаАэЗЬЯпАЮаАзЗЬ.

2. Впервые в структурах с КЯ ГпСаАзБЬЯпАЮаАзЗЬ 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 1пОаА88Ь/1пАЮаАз8Ь 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 ОаАз/АЮаАБ, легированными донорными, акцепторными примесями и нелегированными, а также с туннельно-связанными КЯ ОаАз/АЮаАБ. 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 ОаАз/АЮаАБ 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 1пОаА58Ь/1пАЮаА88Ь в широком диапазоне параметров КЯ. Впервые в структурах с квантовыми ямами 1пОаА88Ь/1пАЮаАз8Ь экспериментально обнаружено явление резонансной оже-рекомбинации. Экспериментально и теоретически исследован разогрев носителей заряда в КЯ ¡пОаАзБЬЛпАЮаАзЗЬ и ОаАз/АЮаАБ при оптическом возбуждении электронно-дырочных пар. Исследовано влияние продольного электрического поля на спектры фотолюминесценции наноструктур с КЯ ОаАз/АЮаАБ, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели работы, научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся результаты исследований процессов рекомбинации, захвата и релаксации носителей заряда в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/InAlGaAsSb при оптическом возбуждении неравновесных носителей заряда.

В обзоре литературы к первой главе описываются причины выбора полупроводниковых твердых растворов, содержащих сурьму, в качестве материала для лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра. Проводится

анализ влияния состава пятикомпонентного твердого раствора барьера ЬхАЮаАзЭЬ на механические напряжения в КЯ и локализацию носителей заряда в КЯ. Описываются различные механизмы оже-рекомбинации: с участием двух электронов и дырки; двух дырок и электрона, с забросом электронов в непрерывный спектр; с забросом дырки в зону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием. Приводятся условия наблюдения резонансной оже-рекомбинации, которая может иметь большую вероятность, и которая может существенно ухудшить характеристики инжекционных лазеров. Ставится задача исследований, описанных в главе I.

Во второй части главы I описаны исследуемые структуры и применяемая методика исследования динамики фотолюминесценции методом преобразования частоты вверх ("ир-сопуегзюп"). Использование КЯ ^орзвао^Азо^Ьо^б/ А1о;70ао!зАзо,о5б8Ьо)944 с различной шириной КЯ позволяет наблюдать резонансную оже-рекомбинацию. Образцы с КЯ Хпо^бОао^зАзодзвЗЬо^/АЬ^Оао^Азо.озЗЬо^, и 1по!5450ао;455А8од558Ьо,745/1по,25А1о,2оОао!55А8о,2458Ьо;755, имеющими разный материал барьера, позволяют проанализировать влияние уменьшения глубины квантовой ямы на скорость оже-рекомбинации.

В третьей части главы I приводятся результаты расчета зонной структуры исследуемых образцов в рамках модели Кейна и спектры фотолюминесценции, соответствующие основным переходам носителей заряда. Приведены экспериментально найденные зависимости интенсивности фотолюминесценции от времени с пикосекундным разрешением, которые получены при разных температурах и разных интенсивностях импульсной оптической накачки. Описана оригинальная методика определения скорости рекомбинации по этим зависимостям. Экспериментально показано, что вклад резонансной оже-рекомбинации существенен при определенных параметрах КЯ ЫОаАзЗЬЯпАЮаАзБЬ. Из сравнения динамики фотолюминесценции в структурах с КЯ 1пОаА88Ь/1пАЮаАз8Ь с различной глубиной КЯ получено, что уменьшение глубины квантовой ямы для электронов уменьшает скорость оже-рекомбинации. В условиях, когда глубина КЯ для электронов меньше, чем энергия основного

излучательного перехода носителей заряда в структуре может

протекать только слабый беспороговый оже-процесс. Наличие глубокой ямы для дырок увеличивает их локализацию, повышая вероятность излучательной рекомбинации, что важно для повышения эффективности лазеров на основе данных структур. Экспериментально определены времена захвата электронов в КЯ, времена энергетической релаксации электронов в условиях оптической накачки в области барьера и в области КЯ. По этим временам определено время испускания оптического фонона.

Вторая глава посвящена результатам экспериментальных исследований процессов разогрева носителей заряда в лазерах с КЯ 1пОаАз8Ь/1пАЮаА88Ь и в наноструктурах ОаАэ/АЮаАз с туннельно-связанными квантовыми ямами и с квантовыми ямами, имеющими разный тип легирования.

В обзоре литературы ко второй главе подчеркнуто, что при работе многих оптоэлектронных приборов (инжекционных лазеров, фотодетекторов, квантово-каскадных лазеров и др.) в области больших токов накачки и больших интенсивностей оптической инжекции проявляется разогрев носителей заряда, который отрицательно влияет на приборные характеристики. Приведены основные особенности оптических методов исследования неравновесных носителей заряда в объемных полупроводниках и квантовых ямах. Также рассмотрен вопрос влияния неравновесных оптических фононов на скорость потерь энергии носителей заряда. Ставится задача исследований, описанных в главе II.

Во второй части главы II описаны экспериментальные установки для измерения фотолюминесценции и приводятся параметры исследованных структур с КЯ 1по!550ао,45А8о)248Ьо,7б/1по,2А1о,бСао!2А8о:248Ьо!7б5 с туннельно-связанными КЯ ОаАз/АЬ^Са^бгАз и структур с КЯ ОаАз/А^ззОао^Аз, легированными донорной примесью, акцепторной примесью и нелегированных.

В третьей части главы II приводятся расчеты скорости рассеяния энергии двумерными электронами на оптических фононах при разогреве носителей заряда в исследуемых квантовых ямах ^ОаАзЗЬЛпАЮаАзЭЬ и ОаАз/АЮаАз. В

лазерных структурах с КЯ ¡пОаАзБЬЛпАЮаАзЗЬ исследовано спонтанное межзонное излучение при токовой накачке в режиме стимулированного излучения и в допороговом режиме. Обнаружен рост интенсивности спонтанного излучения с током в режиме генерации стимулированного излучения, связанный с ростом концентрации носителей заряда с током. Данное явление объясняется разогревом носителей заряда и ростом внутренних потерь на поглощении света дырками в волноводе. Влияние последнего фактора подтверждается улучшением характеристик лазера при смещении КЯ из центра волновода к сильно легированной области р-типа. Исследованы спектры фотолюминесценции структур с КЯ ОаАэ/АЮаАз. Из совместного решения уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния, рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных фононов рассчитана электронная температура как функция интенсивности оптической накачки. Экспериментальные значения электронной температуры, как функции оптической накачки, получены из анализа коротковолнового спада спектра фотолюминесценции. Хорошее совпадение экспериментальных данных и расчетов может быть получено при учете эффекта накопления неравновесных оптических фононов. Обнаружена модификация спектров фотолюминесценции в продольном электрическом поле, которая объяснена уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования с забросом их на второй уровень и захватом электронов на примесный уровень с испусканием оптического фонона с дальнейшей излучательной рекомбинацией электрона с примесного уровня и дырки из валентной зоны.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Винниченко, Максим Яковлевич

2.4 Основные результаты второй главы

Проведен анализ явлений разогрева и изменения концентрации носителей заряда в лазерных структурах с КЯ ЫСаАзЗЬЯпАЮаАзЗЬ в режимах спонтанного и стимулированного излучения при токовой накачке. Рост концентрации носителей заряда с ростом тока в режиме генерации излучения объясняется разогревом носителей заряда при инжекции электронно-дырочных пар и ростом внутренних потерь из-за поглощения света дырками в волноводе.

Экспериментальные исследования спектров фотолюминесценции в наноструктурах с квантовыми ямами ваАз/АЮаАз, легированных донорными, акцепторными примесями и нелегированных, а также с туннельно-связанными квантовыми ямами ваАз/АЮаАз позволили определить температуру носителей заряд по спектрам фотолюминесценции. Для данных структур рассчитана скорость рассеяния энергии двумерными носителями заряда на оптических фононах при разогреве электронов и дырок. Расчеты проводились при согласованном решении уравнений баланса мощности и числа частиц с учетом электрон-электронного рассеяния в КЯ и рассеяния на полярных оптических фононах с учетом и без учета эффекта накопления неравновесных оптических фононов. По результатам сравнения экспериментальных данных и расчетов зависимостей электронной температуры от интенсивности накачки сделан вывод о необходимости учета эффекта накопления неравновесных оптических фононов при расчете электронной температуры. Обнаруженные особенности в спектрах фотолюминесценции при разогреве носителей заряда электрическим полем объяснены уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования с забросом их на второй уровень и захватом их на примесный уровень с испусканием оптического фонона с дальнейшей излучательной рекомбинацией электрона на примесном уровне и дырки из валентной зоны.

Результаты, приведенные в данной главе опубликованы в статьях [А1 - А4] и тезисах докладов [А8 - А12].

Заключение

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Исследованы зависимости интенсивности фотолюминесценции в пикосекундном и наносекундном временных диапазонах в наноструктурах с КЯ 1пОаА88Ь/1пАЮаАз8Ь и ІпОаАзЗЬ/АЮаАзБЬ с различными барьерами и с различной шириной КЯ. Анализ временных зависимостей фотолюминесценции позволил определить времена захвата носителей заряда в КЯ, времена энергетической релаксации, времена жизни, в том числе и по отношению к резонансной оже-рекомбинации, при различных уровнях оптического возбуждения.

2. Экспериментально обнаружено изменение скорости оже-рекомбинации в КЯ ІпОаАзБЬ/ІпАЮаАзЗЬ и 1пОаАз8Ь/АЮаАз8Ь при варьировании глубины и ширины КЯ. Впервые в структурах с такими КЯ 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. Оптимизация параметров лазерных структур позволила улучшить характеристики лазеров: уменьшить пороговый ток и увеличить мощность излучения.

3. Исследованы явления разогрева и изменения концентрации носителей заряда в лазерных структурах с КЯ ІпОаАзЗЬ/ІпАЮаАзЗЬ 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 из-за поглощения света дырками в волноводе. Увеличение глубины КЯ для дырок уменьшает негативное влияние разогрева носителей заряда на характеристики лазера.

4. Исследованы спектры фотолюминесценции в наноструктурах ОаАз/АЮаАБ с КЯ, легированными донорными, акцепторными примесями и нелегированными, а также с туннельно-связанными квантовыми ямами. Экспериментально получена зависимость электронной температуры от интенсивности оптической накачки. Для данных структур рассчитана скорость потерь энергии горячими двумерными носителями заряда при рассеянии на оптических фононах. Расчеты проводились 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.

5. Исследованы спектры фотолюминесценции в наноструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами ОаАз/АЮаАэ при разогреве оптически инжектированных носителей заряда латеральным электрическим полем. Обнаруженная модификация спектров фотолюминесценции объясняется рядом факторов: уменьшением концентрации электронов на первом уровне размерного квантования, увеличением концентрации электронов на втором уровне и резонансным захватом электронов на примесный уровень.

В заключение автор хотел бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю и учителю Д.А. Фирсову, который привил автору любовь к физике полупроводников еще на студенческой скамье и еще больше заинтересовал данной областью науки. Отдельное спасибо Л.Е. Воробьеву за полезные консультации при обсуждении результатов работы и за помощь в проведении теоретических расчетов; В.Ю. Паневину, А.Н. Софронову, Папхави Тхумронгсилапа и Г.А. Мелентьеву за помощь и советы при проведении экспериментов и настройке экспериментальных установок; В.А. Шалыгину за ценные указания по вопросам не только научного свойства, общение с ним было приятно и плодотворно. Благодарность за терпение автор выражает своей семье, в частности своей супруге Екатерине Геннадьевне за поддержку и дочери Анне Максимовне за то, что не мешала писать этот труд.

Список сокращений и условных обозначений

КЯ - квантовая яма; ИК - инфракрасный; ФЛ - фотолюминесценция.

Список публикаций автора

Публикации по теме диссертации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК:

А1] Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК-излучения горячими электронами в квантовых ямах / J1.E. Воробьев, B.JL Зерова, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, М.Я. Винниченко, В.Ю. Паневин, П. Тхумронгсилапа, К.С. Борщев, А.Е. Жуков, З.И. Соколова, И.С. Тарасов, G. Belenky, S. Hanna, A. Seilmeier // Известия Академии наук, серия физическая. — 2009. — Т. 73. — С. 79-82. [А2] 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.A. Vasil'eva,

M.Ya. Vinnichenko, P. Thumrongsilapa, S.N. Danilov, A.E. Zhukov,

A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii // Journal of Physics: Conférence Sériés. —

2009. — Vol. 193. — P. 012059.

A3] Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs / Д.А. Фирсов, JI.E. Воробьев, В.А. Шалыгин, А.Н. Софронов,

B.Ю. Паневин, М.Я. Винниченко, П. Тхумронгсилапа, С.Д. Ганичев,

C.Н. Данилов, А.Е. Жуков // Известия Академии наук, серия физическая. —

2010, —Т. 74.— С. 91-94.

A4] Разогрев носителей заряда в квантовых ямах при оптической и токовой инжекции электронно-дырочных пар / JI.E. Воробьев, М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, B.JI. Зерова, В.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, П. Тхумронгсилапа, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, L. Shterengas, G. Kipshidze, T. Hosoda, G. Belenky // "Наука", ФТП. — 2010. — T. 44, № 11. — C. 14511454.

А5] Влияние оже-рекомбинации на время жизни неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / JI.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, М.Я. Винниченко, B.J1. Зерова, Г.А. Мелентьев, М.О. Машко, L. Shterengas, G. Kipshidze, G. Belenky, T. Hosoda // Известия Российской Академии наук, серия физическая. — 2012. — Т. 76. — С. 240242.

А6] Динамика фотолюминесценции в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, JI.E. Воробьев, М.О. Машко, L. Sterengas, G. Belenky.// "Наука", ФТП. — 2012. — Т. 46, № 12, —С. 1581-1586.

А7] Рекомбинация и захват электронов в лазерных наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, М.О. Машко, JI. Штеренгас (L. Shterengas), Г. Беленький (G. Belenky), JI.E. Воробьев // "Научно-технические ведомости СПбГПУ", серии "Физико-математические науки", раздел "Физика конденсированного состояния". — 2012. — Т. 3, № 153. — С. 7-13.

Тезисы докладов:

А8] Электролюминесценция горячих носителей заряда в режиме спонтанного и стимулированного излучения из лазерных наноструктур и поглощение ИК излучения горячими электронами в квантовых ямах / JI.E. Воробьев, B.JI. Зерова, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, М.Я. Винниченко, В.Ю. Паневин, Т. Папхави, (П. Тхумронгсилапа), К.С. Борщев, А.Е. Жуков, З.И. Соколова, И.С. Тарасов, G. Belenky // Нанофизика и наноэлектроника. XII Международный Симпозиум, Нижний Новгород. — 2008. — С. 173-175.

А9] 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, S.N. Danilov, A.E. Zhukov, A.I. Yakimov,

A.V. Dvurechenskii // Abstracts of the 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures. Montpellier — 2009.

A 10] Поглощение и модуляция излучения в наноструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками р-типа / J1.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин,

B.Ю. Паневин, А.Н. Софронов, М.Я. Винниченко, П. Тхумронгсилапа,

C.Н. Данилов, А.Е. Жуков, А.И. Якимов, A.B. Двуреченский // Тезисы докладов IX Российской конференции по физике полупроводников. Новосибирск - Томск — 2009. — С. 74.

All] Concentration and temperature of hot carriers in quantum wells under electrical and optical excitation / L.E.Vorobjev, M.Ya.Vinnichenko, D.A.Firsov, V.L.Zerova, V.Yu.Panevin, A.N.Sofronov, P.Thumrongsilapa, V.M.Ustinov,

A.E.Zhukov, A.P.VasiPev, L.Shterengas, G.Kipshidze, T.Hosoda, G.Belenky // Proceedings of the 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". St. Petersburg —2010. — Pp. 51-52.

A 12] Разогрев и поглощение света носителями заряда в лазерных Sb-coдержащих наноструктурах в режиме генерации / J1.E. Воробьев, L. Shterengas,

B.JI. Зерова, М.Я. Винниченко, G. Kipshidze, Т. Hosoda, Д.А. Фирсов, G. Belenky // 2-й Российский Симпозиум "Полупроводниковые лазеры: физика и технология". Санкт-Петербург — 2010. — С. 33.

А13] Исследование оже-рекомбинации в лазерных наноструктурах с Sb-содержащими квантовыми ямами / М.О. Машко, М.Я. Винниченко, Д.А. Фирсов, JI.E. Воробьев // XII всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Санкт-Петербург — 2010. — С. 36. [А 14] Влияние оже-рекомбинации на время жизни неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb / JI.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, М.Я. Винниченко, B.JI. Зерова, Г.А. Мелентьев, М.О. Машко, L. Shterengas, G. Kipshidze, G. Belenky // Нанофизика и наноэлектроника. XV международный симпозиум (Нижний Новгород, 14-18 марта 2011 г.). Институт физики микроструктур РАН. — 2011. — С. 153-154. [А 15] Dynamics of a photoluminescence in InGaAsSb/AlGaAsSb quantum wells / L. Shterengas, D.A. Firsov, M.Ya. Vinnichenko, L.E. Vorobjev, A.N. Sofronov, G.A. Melentyev, G. Kipshidze and G. Belenky // Proceedings of the 19th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". Ekaterinburg — 2011. —Pp. 21-22. [A 16] Процессы рекомбинации носителей заряда в квантовых ямах InGaAsSb/AlGaAsSb / JI.E. Воробьев, Д.А. Фирсов, М.Я. Винниченко, А.Н. Софронов, Г.А. Мелентьев, L. Shterengas, G. Kipshidze, G. Belenky // Тезисы докладов X Российской конференции по физике полупроводников. Нижний Новгород — 2011. — С. 224. [А 17] Динамика фотолюминесценции в наноструктурах с квантовыми ямами InGaAsSb/AlGaAsSb и GaAs/AlGaAs / Д.А. Фирсов, Л.Е.Воробьев, Г.А. Мелентьев, М.Я. Винниченко, М.О. Машко, Л.В. Гавриленко, Д.И. Курицын, L. Sterengas, G. Belenky // Нанофизика и наноэлектроника. Труды XVI международного симпозиума (Нижний Новгород, 12-16 марта 2012 г.). Институт физики микроструктур РАН. — 2012. — С. 208-209. [А 18] Auger recombination and dynamics of the photoluminescence in InGaAsSb/AlGaAsSb and GaAs/AlGaAs quantum wells / M.Ya. Vinnichenko L. E. Vorobjev, D. A. Firsov, M. O. Mashko, G. A. Melentyev, L. V. Gavrilenko, D. I. Kuritsyn, L. Shterengas and G. Belenky // Proceedings of the 20th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". Nizhny Novgorod — 2012, —Pp. 90-91.

A 19] Dynamics of charge carriers recombination and capture in laser nanostructures with In- GaAsSb/AlGaAsSb quantum wells / Maxim Ya. Vinnichenko, Leonid E. Vorobjev, Dmitry A. Firsov, Marina O. Mashko, Anton. N. Sofronov, Gregory Belenky, and Leon Shterengas // Proceedings of the 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2012). Zurich, Switzerland — 2012, — Topic 38.12,— P. 243.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Винниченко, Максим Яковлевич, 2013 год

Список литературы

[1] Данилов, Л. В. Теоретическое исследование процессов оже-рекомбинации в глубоких квантовых ямах / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря // Физика и техника полупроводников. — 2008.— Т. 42, № 5. - С. 566- 572.

[2] Данилов, Л. В. Пороговые характеристики ИК - лазера на основе глубоких квантовых ям InAsSb/AlSb / JI.B. Данилов, Г.Г. Зегря // Физика и техника полупроводников. — 2008.— Т. 42, № 5.— С. 573 -578.

[3] Wavelength Chirp and Dependence of Carrier Temperature on Current in MQW InGaAsP-InP Lasers / G.E. Shtcngel, R.F. Kazarinov, G.L. Be-lenky, C.L. Reynolds // IEEE Journal of. Quantum Electronics. — 1997. — Vol. 33, no. 8,- Pp. 1390-1402.

[4] Hot-carrier effects in 1.3-/J, In(l-x)Ga(x)As(y)P(l-y) light emitting diodes / J. Shah, R.F. Leheny, R.E. Nahory, H. Tcmkin /./ Applied Physics Letters. - 1981. - Vol. 39, no. 8. - Pp. 618-620.

[5] Room temperature continuous wave operation of quantum cascade lasers with 12.5% wall plug efficiency / Y. Bai, S. Slivken, S.R. Darvish. M. Razcghi // Applied Physics Letters.— 2008.- Vol. 93, no. 2.— Pp. 021103-021103.

[6] Short wavelength (Л ~ 3.4/im) quantum cascade laser based on strained compensated InGaAs/AlInAs / J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco et al. // Applied physics letters. — 1998. — Vol. 72. — P. 680.

[7] High-power CW quantum cascade lasers: How short can we go? / M. Razeghi, A. Evans, S. Slivken, J.S. Yu // Proc. SPIE.- Vol. 5738.2005. — Pp. 1-12.

[8] Quantum cascade laser / J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco et al. // Science. - 1994. - Vol. 264, no. 5158. - Pp. 553-556.

[9] High power mid-infrared (Л ~ 5/ли) quantum cascade lasers operating above room temperature / J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori et al. // Applied physics letters. - 1996. - Vol. 68. - P. 3680.

[10] Ecuna, Н.П. Электроино-дырочиые переходы в арсеииде индия / Н.П. Есина, Н.В. Зотова, Д.Н. Наследов // Радиотехника и электропика. - 1963. - Т. 8, № 9. - С. 1602-1606.

[11] Ecv.ua, Н.Д. Электролюминесценция р-n переходов в арсеииде индия / Н.Д. Есина, Н.В. Зотова, Д.Н. Наследов // Физика и техника проводников. - 1969. - Т. 3, № 9. - С. 1370-1373.

[12] Melngailis, I. Properties of InAs lasers / I. Melngailis, R.H. Redikcr // Journal of Applied Physics. — 1966. — Vol. 37, no. 2. - Pp. 899-911.

[13] 4 W quasi-continuous-wave output power from 2 fj,m AlGaAsSb/InGaAsSb single-quantum-well broadened waveguide laser diodes / D.Z. Garbuzov, R.U. Martinelli, H. Lee et al. // Applied physics letters. — 1997. — Vol. 70, no. 22,- Pp. 2931-2933.

[14] 2.3-2.7-/Ш1 room temperature CW operation of InGaAsSb-AlGaAsSb broad waveguide SCH-QW diode lasers / D.Z. Garbuzov, H. Lee, V. Khalfin et al. // Photonics Technology Letters, IEEE. — 1999,— Vol. 11, no. 7.— Pp. 794-796.

[15] Design of high-power room-temperature continuous-wave GaSb-based type-1 quantum-well lasers with A> 2.5 ¡im / L. Shterengas, G.L. Be-lenky, J.G. Kim, R.U. Martinelli // Semiconductor science and technology. - 2004. - Vol. 19. - P. G55.

[16] High power 2.4 /Ш1 heavily strained type-1 quantum well GaSb-based diode lasers with more than 1 W of continuous wave output power and a maximum power-conversion efficiency of 17.5% / L. Shterengas, G. Belenky, M.V. Kisin, D. Donetsky // Applied physics letters.— 2007.— Vol. 90, no. 1. — Pp. 011119-011119.

[17] Физическая энциклопедия / Под ред. А.М Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988-1998, — Т. 2,— С. 183.

[18] Room temperature operated 3.1 цт type-1 GaSb-based diode lasers with 80 mW continuous-wave output power / L. Shterengas, G. Belenky, G. Kip-shidze, T. Hosoda // Applied Physics Letters.— 2008.— Vol. 92,— P. 171111.

[19] Shim. K. Band gap and lattice constant of GalnAsSb / K. Shim, H. Rabitz, P. Dutta // Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 88. - P. 7157.

[20] Концентрация и температура носителей заряда в квантовых ямах лазерных гетероструктур в режимах спонтанного и стимулированного излучения / JI.E. Воробьев, B.JI. Зерова, К.С. Борщев и др. // Физика и техника полупроводников. — 2008. — Т. 42, JSTs G. — С. 753-761.

[21] Othonos, Andreas. Probing ultrafast carrier and phonon dynamics in semiconductors / Andreas Othonos // Journal of Applied Physics. — 1998. — Vol. 83, no. 4,- Pp. 1789-1830.

[22] Рывкии. C.M. Фотоэлектрические явления в полупроводниках / С.М. Рывкии, — М.: Физматгиз, 1963,— С. 496.

[23] Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках / В.Н. Абакумов, В.И. Перель, И.Н. Яссиевич, СПб.: Изд-во ПИЯФ,- 1997.

[24] Markvart, Т. Recombination in Semiconductors / Т. Markvart, Р.Т. Landsberg. — Cambridge University Press, Cambridge, 1991.

[25] Auger, P. CR Acad. Sci., Paris 180 65 Auger P 1925 / P. Auger //J. Physique. - 1925. - Vol. 6, no. 205. - P. 192C.

[26] Beattie, A.R. Auger effect in semiconductors / A.R. Bcattie, P.T. Landsberg // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. - 1959. - Vol. 249, no. 125G. - Pp. 1C-29.

[27] Gel'Mont, B.L. Three-band Kane model and Auger recombination /

B.L. Gel'Mont // Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 1978. - Vol. 48. - P. 258.

[28] Haug, A. Auger recombination in direct-gap semiconductors: band-structure effects / A. Haug // Journal of Physics C: Solid State Physics. — 1983,-Vol. 16,- P. 4159.

[29] Takeshima, M. Unified theory of the impurity and plionon scattering effects on Auger recombination in semiconductors / M. Takeshima // Physical Review B. - 1982. - Vol. 25, no. 8. - P. 5390.

[30] Зегря, Г. Г. Механизмы оже-рскомбипации в квантовых ямах / Г.Г. Зегря, А.С. Полковников // ЖЭТФ,- 1998,- Т. 133, № 4.—

C. 1491-521.

[31] Природа температурной зависимости пороговой плотности тока длинноволновых лазеров на основе ДГС InAsSbP/InAs и InAsS-bP/InAsSb / М. Айдаралиев, Г.Г. Зегря, Н.Б. Зотова и др. // Физика и техника полупроводников. — 1992. — Т. 26. — С. 249.

[32] Фотоэлектрические явления в полупроводниках и размерно-квантованных структурах / JI.E. Воробьев, С.Н. Данилов, Г.Г. Зегря и др.; Под ред. В.И. Ильин, - СПб.: Наука, 2001, — С. 248.

[33] Andreev, A.D. Tliresholdless Auger recombination mechanism in semiconductors in a quantizing magnetic field / A.D. Andreev, G.G. Zegrya // Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics. — 1994. — Vol. 78. — Pp. 539-545.

[34] Dutta, N.K. Calculation of Auger rates in a quantum well structure and its application to InGaAsP quantum well lasers / N.K. Dutta // Journal of Applied Physics. - 1983. - Vol. 54, no. 3. - Pp. 1236-1245.

[35] Temperature sensitivity of auger-recombination effects in compressively strained In(x)Ga(l-x)As/In(x)Ga(l-x)As(l-y)P(y) quantum-well lasers / W.W. Lui, T. Yamanaka, Y. Yoshikuni et al. // Physical Review D. — 1993. - Vol. 48, no. 12. - P. 8814.

[36] Auger recombination in a quantum-well-lieterostructure laser / R.I. Taylor, R.A. Abram, C. Smith, M.G. Burt // Optoelectronics, IEE Proceedings JIET. - Vol. 132. - 1985. - Pp. 364-370.

[37] Zegrya, G.G. New mechanism of Auger recombination of nonequilibri-um current carriers in semiconductor heterostructures / G.G. Zegrya, V.A. Kharchenko // Soviet physics, JETP.- 1992.- Vol. 74, no. 1.-Pp. 173-181.

[38] Polkovnikov, Anatoli. Electron-electron relaxation effect on Auger recombination in direct-band semiconductors / Anatoli Polkovnikov, Georgy Zegrya // Phys. Rev. D. - 2001. - Jul. - Vol. 64. - P. 073205.

[39] 3.3 ¿um W quantum well light emitting diode / D.G. Gevaux, A.M. Green, C.C. Phillips et al. // Optoelectronics, IEE Proceedings JIET.— Vol. 150.- 2003.- Pp. 351-355.

[40] Krier, A. Powerful interface light emitting diodes for methane gas detection / A. Kricr, V.V. Sherstnev // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2000,- Vol. 33, no. 2,- P. 101.

[41] Type-II quantum-well lasers for the mid-wavelength infrared / J.R. Meyer, C.A. Hoffman, F.J. Bartoli, L.R. Ram-Mohan // Applied Physics Letters. — 1995. - Vol. 67, no. 6. - Pp. 757-759.

[42] Mnhr, H. An optical up-conversion light gate with picosecond resolution / H. Malir, M.D. Hirsch // Optics Communications.— 1975.— Vol. 13, no. 2. - Pp. 96-99.

[43] Shah, J. Ultrafast luminescence spectroscopy using sum frequency generation / J. Shah // IEEE Journal of Quantum Electronics. — 1988. — Vol. 24, no. 2. - Pp. 276-288.

[44] Kane, E.O. Band structure of indium antimonide / E.O. Kane // Journal of Physics and Chemistry of Solids. — 1957. - Vol. 1, no. 4. - Pp. 249-261.

[45] Размерное квантование. Часть 1. Энергетический спектр наноструктур / В.Э. Гасумянц, С.Н. Лыков, Д.А. Пшеиай-Ссверин и др.; Под ред. С.Н. Лыков. — СПб.: Изд-во Политехнич. ун-та, 2008. — С. 258.

[46] Бир, Г.Л. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках / Г.Л. Бир, Г.Е. Пикус. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1972. — С. 584.

[47] Vurgaftman, I. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys / I. Vurgaftman, JR Meyer, LR Ram-Mohan // Journal of applied physics. - 2001. - Vol. 89. - R 5815.

[48] Interplay of cxciton and clcctron-holc plasma recombination on the plio-toluminescence dynamics in bulk gaas / A. Amo, M. D. Martin, L. Vina et al. // Phys. Rev. B. - 2006. - Jan. - Vol. 73. - P. 035205.

[49] Шик. А.Я. Электродинамика двумерных электронных систем / А.Я. Шик // Физика и техника полупроводников.— 1995.— Т. 29, № 8,- С. 1345-1381.

[50] Воробьев, Л.Е. Оже-лазер среднего ИК диапазона на межподзопных переходах носителей заряда в квантовых ямах / Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, Г.Г. Зегря // Известия РАН. Серия физеческая. — 2001. - Т. G5, № 2. - С. 230-233.

[51] Continuous-wave room temperature operated 3.0 цт. type I GaSb-bascd lasers with quinternary AlInGaAsSb barriers / T. Hosoda, G. Belenky, L. Sliterengas et al. // Applied Physics Letters. — 2008. — Vol. 92, no. 9. — P. 091106.

[52] Гельмоит, B.JI. Функция распределения и потери энергии горячими электронами при взаимодействии с оптическими фонопами / Б.Л. Гельмонт, Р.И. Лягущенко, И.Н. Яссиевич // Физика твердого тела. - 1972. - Т. 14, № 2. - С. 533 - 542.

[53] Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, Е.Л. Ивченко и др.; Под ред. Л.Е. Воробьев. — СПб.: Наука, 2000. — С. 160.

[54] Воробьев, Л.Е. Кинетические и оптические явления в полупроводниках в сильных электрических полях / Л.Е. Воробьев, Д.А. Паршин,

B.А. Шалыгин; Под ред. Л.Е. Воробьев, — Ленинград: ЛПИ, 1988. —

C. 103.

[55] Оптические свойства наноструктур / Л.Е. Воробьев, Е.Л. Ивченко, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин; Под ред. Л.Е. Воробьев, — СПб.: Наука, 2001.- С. 188.

[56] Shah, J. Semiconductors probed by ultrafast laser spectroscopy / J. Shah, R.F. Leheny // Academic Press, New York — 1984, — P. 45.

[57] Shah, J. Radiative recombination from photoexcited hot carriers in GaAs / J. Shah, R.C.C. Lcitc // Physical Review Letters.- I960,- Vol. 22, no. 24. - Pp. 1304-1307.

[58] Picosecond dynamics of hot carrier relaxation in highly excited multiquantum well structures / C.V. Shank, R.L. Fork, R. Yen et al. // Solid state communications. — 1983. — Vol. 47, no. 12. — Pp. 981-983.

[59] Energy-loss rates for hot electrons and holes in gaas quantum wells / J. Shah, A. Pinczuk, A.C. Gossard, W. Wiegmann // Physical review letters. - 1985. - Vol. 54, no. 18. - Pp. 2045-2048.

[60] Absorption, emission, and gain spectra of 1.3 дга InGaAsP quaternary lasers / C. Henry, R. Logan, H. Tcmkin, F. Merritt // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1983. - Vol. 19, no. 0. — Pp. 941-940.

[61] Разогрев электронов сильным продольным электрическим полем в квантовых ямах / Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, В.Л. Зсрова, Д.А. Фирсов // Физика и техника полупроводников. — 2003.— Т. 37, № 5,- С. 604-611.

[62] 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 // Semiconductor Science and Technology. — 1992.— Vol. 7, no. 3B. - P. B274.

[63] Ridley, B.K. Hot phonons in high-field transport / B.K. Ridley // Semiconductor Science and Technology. — 1989. — Vol. 4, no. 12. — P. 1142.

[64] Huang, K. Long-wavelength optic vibrations in a superlattice / K. Huang, B.F. Zhu // Physical Review B. - 1988. - Vol. 38, no. 3. - P. 2183.

[65] Пожела, Ю. Подвижность и рассеяние электронов на полярных оптических фононах в гетероструктурных квантовых ямах / Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцспе // Физика и техника полупроводников. — 2000. — Vol. 34, по. 9. — Pp. 1053-1057.

[66] К ash, J. A. Subpicosecond time-resolved Raman spectroscopy of LO phonons in GaAs / J.A. Kash, J.C. Tsang, J.M. Hvam // Physical review letters. - 1985. - Vol. 54, no. 19. - Pp. 2151-2154.

[67] Гуревич, В.JI. Поглощение света свободными носителями при участии оптических фононов в квазидвумерных системах / B.J1. Гуревич, ДА. Паршин, К.Э. Штенгель // Физика твердого me.na. — 1988. — Т. 30,- С. 1466-1475.

[68] Оптические явления при разогреве электронов в системе квантовых ям GaAs/AlGaAs продольным электрическим полем / JI.E. Воробьев, С.Н. Данилов, Е.А. Зибик и др. // Физика и техника полупроводников. — 1995. — Т. 29, № 6. — С. 1136-1148.

[69] Мопетаг.. В. Some optical properties of the Al(x)Ga(l-x)As alloys system / B. Monemar., K.K. Shih, G.D. Pettit // Journal of Applied Physics. - 1976. - Vol. 47, no. 6. - Pp. 2604-2613.

[70] Strait on, R. The influence of interelectronic collisions on conduction and breakdown in polar crystals / R. Stratton // Proc. R. Soc. bond. A. — 19 August 1958. - Vol. 246, no. 1246. - Pp. 406-422.

[71] Shah, Jagdeep. Photoexcited hot electrons and excitons in CdSe at 2 К / Jagdccp Shah // Phys. Rev. B. - 1974. - Jan. - Vol. 9, no. 2. - Pp. 562567.

[72] Соколова, З.Н. Расчеты вероятностей излунательных переходов и времен жизни в квантово-размерных структурах / З.Н. Соколова, В.Б. Халфин // Физика и техника полупроводников. — 1989.— Т. 23, № 10. - С. 1806-1812.

[73] Webster, W.M. On the variation of junction-transistor current-amplification factor with emitter current / W.M. Webster // Proceedings of the IRE. - 1954. - Vol. 42, no. 6. - Pp. 914-920.

[74] Илуридзе, Г.H. Внутризониое поглощение антимопида галлия р-типа, / Г.Н. Илуридзе, А.Н. Титков, Е.М. Чайкина // Физика и техника полупроводников. — 1987. - Т. 21, № 1. — С. 80-83.

[75] Continuous wave operated 3.2 mkm type-г quantum-well diode lasers with the quinary waveguide layer / G. Belenky, L. Shterengas, D. Wang et al. // Semiconductor science and technology. — 2009. — Vol. 24. — P. 115013.

[76] Fraizzoli. S. Shallow donor impurities in GaAs-Gai_xAlxAs quantum-well structures: Role of the dielectric-constant mismatch / S. Fraizzoli, F. Bassani, R. Buczko // Phys. Rev. В. - 1990.-Mar. - Vol. 41.- Pp. 50965103.

Приложение, Решение скоростных уравнений для концентрации носителей заряда

Для анализа экспериментальных данных необходимо построить модель динамики носителей заряда. Рассмотрим процессы, которые происходят с носителями заряда при оптической накачке световым импульсом с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны барьера. Разобьем все электроны, рожденные в зоне проводимости между ограничивающими слоями на два типа: рожденные в области барьера и рожденные в области квантовой ямы. И те и другие носители заряда дают вклад в измеряемую в эксперименте фотолюминесценцию, однако динамика их захвата в квантовую яму разная. На рисунке П. 1 приведена примерная схема захвата разных носителей заряда на основной уровень квантовой ямы. Носителям, рожденным в области барьера, необходимо продиффундировать к КЯ, в то время как носителям заряда, рожденным над КЯ, достаточно только потерять избыток энергии в процессе релаксации на основной уровень электронов (дырок).

Барьер (пьагг) КЯ (пди>) Барьер (пьагг■)

Рисунок П. 1 - Схема релаксации носителей заряда рожденных в области барьера и области КЯ при оптической накачке с энергией кванта к\ех больше чем ширина

запрещенной зоны барьера.

Опишем процессы захвата и рекомбинации носителей заряда в приближение трехуровневой системы для электронов. Обозначим концентрации электронов на двух верхних уровнях как (электроны, рожденные в области квантовой ямы) и пЬагг (электроны, рожденные в области барьера). Третий уровень с концентрацией щ соответствует основному уровню электронов в квантовой яме, с которого наблюдается ФЛ. В начальный момент времени все носители заряда находятся на двух верхних уровнях пдц, и пьагг■ Для изменения заселенностей каждого уровня можно

записать скоростное уравнение с начальными граничными условиями, например, для уровня с концентрацией пди? уравнение выглядит так:

дПдА*) dt nQW{t)

- -г

-1

now(t)

qw ,lqw

(П.1)

= n t=o iyQw

где TqW - обратное время жизни электронов на уровне с концентрацией nQW,

или скорость ухода электронов из области над КЯ, Nqw - концентрация электронов, рожденных в области квантовой ямы.

С учетом начального условия решение уравнения выглядит так:

"qw (0 = nqw ' ехР(~*qw ' 0 • (П.2)

Аналогичное уравнение можно составить и для носителей заряда, рожденных над барьером. Из рисунка П.1 очевидно, что характерное время захвата в КЯ носителей заряда при таком процессе больше, т.к. каждый носитель должен сначала диффундировать к гетерогранице, а уже потом захватываться в КЯ:

-1 ()

д barr barr \ )

< öt , (П.З)

ПЬаЛ0 L=0 = Nbarr

где тьхагг — обратное время жизни электронов на уровне с концентрацией щагг, или скорость диффузии электронов из области барьера в КЯ, ТЯЬагг -концентрация носителей заряда рожденных над барьером благодаря оптической накачке.

Уравнение имеет аналогичное решение:

nbarr(t) = Nbarr-eXp(-Thlr-t)

(П.4)

Теперь запишем уравнение для концентрации носителей заряда на основном уровне квантовой ямы (щ на рисунке П.1). Концентрация на этом уровне увеличивается за счет захвата свободных электронов из области барьера и области КЯ, а уменьшается за счет излучательной и безызлучательной рекомбинации электронов и дырок. В начальный момент времени концентрацию носителей заряда на основном уровне квантовой ямы полагаем пренебрежимо малой в сравнении с избыточной концентрацией носителей в результате освещения. Итого скоростное уравнение для уровня щ будет выглядеть так:

дп0( дпЬагДО О

дг д( д1 5 (П5)

МСо=°

где т~Р1н - обратное время жизни электронов на уровне с концентрацией щ, или скорость фотолюминесценции. Нелинейные способы рекомбинации

носителей заряда учитываются зависимостью от времени коэффициента т

-1

РН 1

но при малых временах мы пренебрегаем этой зависимостью и полагаем коэффициент т~рН - const (t). Захват электронов квантовой ямой учтен следующим образом: увеличение концентрации на основном уровне квантовой ямы в точности равно уменьшению концентрации в барьере и в области над квантовой ямой, т.е. мы рассматриваем только те свободные носители в барьере и в области над квантовой ямой, которые будут захвачены этой квантовой ямой.

Нами уже были найдены зависимости концентрации электронов от времени nbarr{t) и riQw(t). Подставим (П.2) и (П.4) в уравнение (П.5) и получим:

д"о(0

Ы

+ Три • П0 (?) — Тдц, ' Nдцг

•0 + ^ Ьаг г ■ Кьагг ' еХр(-Г

Ьагг ■0. (п.б)

Это линейное неоднородное дифференциальное уравнение, решением которого является сумма общего решения (щ00) однородного уравнения и частного решения (гс0чн) неоднородного уравнения. Решение для однородной части уравнения (П.б) аналогично найденным ранее решениям:

д*о„(0 -, ()

_ 4 РН п000

дг

"о00(0 = с-ехр(-г;^ -о.

(П.7) (П.8)

где С - некоторая константа. Решение частного неоднородного уравнения мы можем записать в виде:

п0чн (0 = А ■ ехр(-г^ • 0 + В ■ ехр(-г^ • 0, (П.9)

где А и В - константы. Подставим (П.9) в уравнение (П.б) для нахождения констант:

(А ■ т~ь1г + КЬап ■ - А ■ т~Рхн ) • ехр(-г^ • 0 = = ■ + Nдф ■ г¿¡„ - В ■ т~хн) ■ ехр(-ге^ • 0, (П. 10)

Для того, чтобы уравнение (П. 19) было верно при любых временах необходимо, чтобы предэкспоненциальные множители обращались в ноль:

N -г"1

л = Ьа{гг (П.11)

N 1У Ьагг ^ Ьагг

1 РН ^ Ьагг

N г"1 1<2№

1 РН

* = Г -Г , (п. 12)

-о+^Г'^Г -ехр(-^ -о, (П.13)

Т РН ТЬагг Т РН Тд1У

«0«, (0 = (0 + «0«, (0 . (П-14)

Подставим решение для общего неоднородного уравнения в начальное условие (П. 9) для нахождения константы С

(П. 15)

7 РН ТЬагг Т РН Т<2>¥

п0 (0 = • [«РС-^ • 0 - ехр(-г^ ■ о] ■+

ТРН ТЬагг

N -г"1 г 1

+ —?г • [ехР(-ге1^ • 0 - ехР(-г™ • 0] (п. 16)

7 РН Т

Вынесем ехр(-Тр1у как общий множитель:

"о (0 = ' [1 - ехр(-(С, - т?н ) • О] +

Т Ьпгг ^ Р14

Ьагг ' РН

n • т

ОШ 1£)И'

■ [1 - ехр(-(г

[а ■ (1 - ехрС-г,-1 • 0) + в ■ (1 - ехр(-г2~' • 0)] • ехр(-г;^ • О ,(П. 17)

где тх и г2 - эффективные времена жизни носителей заряда, рожденных над квантовой ямой и над барьером. Таким образом, нами получено решение скоростных уравнений для изменения концентрации носителей заряда в структуре с КЯ. Результирующая формула (П. 17) описывает зависимость концентрации носителей заряда на основном электронном уровне в КЯ от времени. Зависимость концентрации электронов от времени определяет интенсивность фотолюминесценции (см. раздел 1.3.1 и 1.3.5), которую можно измерить в эксперименте на установке, описанной в разделе 1.2.2.

Заметим, что формула (П. 17) получена при условии оптической накачки в барьере структуры. Если же накачка осуществляется резонансно в КЯ, то в формуле (П. 17) необходимо положить В - 0:

(П. 18)