CC BY
87
УДК 538.915
СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ НА ОСНОВЕ CdHgTe ДЛЯ ФОТОНИКИ
Александр Васильевич Войцеховский
Томский государственный университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой квантовой электроники и фотоники, тел. (3822)41-27-72, e-mail: vav43@mail.tsu.ru
Дмитрий Игоревич Горн
Томский государственный университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптической электроники, тел. (3822)41-35-15, e-mail: gorn_dim@sibmail.com
Сергей Алексеевич Дворецкий
Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией технологии эпитаксии из молекулярных пучков соединений А2В6, тел. (383)330-49-67, e-mail: dvor@isp.nsc.ru
Николай Николаевич Михайлов
Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории технологии эпитаксии из молекулярных пучков соединений А2В6, тел. (383) 330-49-67, e-mail: mikhailov@isp.nsc.ru
В данной статье представлен анализ имеющихся в настоящее время экспериментальных работ по получению лазерной генерации в структурах CdxHgi-xTe (КРТ) с множественными квантовыми ямами (МКЯ), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Для рассмотренных структур было проведено моделирование электронного спектра носителей заряда в квантовой яме, рассчитаны энергии оптических переходов и дана интерпретация наблюдаемых в экспериментах пиков спонтанного и стимулированного излучения.
Ключевые слова: КРТ МЛЭ, множественные квантовые ямы, расчёт спектров, лазерная генерация.
PROPERTIES OF CdHgTe BASED NANOSTRUCTURES WITH QUANTUM WELLS FOR PHOTONICS
Alexander V. Voitsekhovskii
Tomsk state university, 634050, Russia, Tomsk, 36 Lenina Av., Ph. D., professor, head of quantum electronics and photonics department, tel. (3822)41-27-72, e-mail: vav43@mail.tsu.ru
Dmitry I. Gorn
Tomsk state university, 634050, Russia, Tomsk, 36 Lenina Av., Ph. D., senior scientist of optical electronics laboratory, tel. (3822)41-35-15, e-mail: gorn_dim@sibmail.com
Sergey A. Dvoretskii
Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the Siberian Branch of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 13, Ac. Lavrentieva ave., Ph. D., head of А2В6 compounds MBE technology laboratory, tel. (383)330-49-67, e-mail: dvor@isp.nsc.ru
Nikolay N. Mikhailov
Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the Siberian Branch of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 13, Ac. Lavrentieva ave., Ph. D., senior scientist of А2В6 compounds MBE technology laboratory, tel. (383)330-49-67, e-mail: mikhailov@isp.nsc.ru
This article presents an analysis of the currently available experimental works devoted to the obtaining laser generation in CdxHg1-xTe (MCT) structures with multiple quantum well (MQW) grown by molecular beam epitaxy (MBE). Electron spectra of charge carriers in the quantum well were simulated for structures under consideration. Also the optical transitions energies were calculated and interpretations of experimentally observed peaks of spontaneous and stimulated emission were given.
Key words: MCT MBE, multiple quantum wells, calculation of optical spectra, laser generation.
Одним из перспективных направлений в области создания эффективных излучателей среднего и дальнего инфракрасного (ИК) диапазона является применение в качестве активной области излучателя наноструктур с квантовыми ямами (КЯ) на основе узкозонного твёрдого раствора CdxHg1-xTe (КРТ).
Применение квантовых ям в излучательных структурах при определённых условиях позволяет существенно снизить скорость Оже-рекомбинации за счёт изменения функции плотности электронных состояний в КЯ и появления запретов на некоторые типы оптических переходов. Например, ещё в [1] было теоретически показано, что применение квантовых ям на основе КРТ может позволить снизить скорость безызлучательной Оже-рекомбинации в несколько десятков раз.
В данной работе мы рассмотрим имеющиеся на настоящий момент наработки по вопросу получения стимулированного излучения в ИК-диапазоне в структурах на основе КРТ с квантовыми ямами. Также нами будет проведён анализ представленных в рассмотренных работах экспериментальных данных и по возможности будет дана интерпретация наблюдаемого излучения. Теоретический анализ будем проводить на основании модели самосогласованного потенциала полупроводниковой гетероструктуры, основанной на совместном численном решении уравнений Пуассона и Шрёдингера для структуры с КЯ [2-5].
В работе [6] представлены экспериментальные спектры наблюдения спонтанного и стимулированного излучения с максимумом спектральной характеристики на длине волны 2,85 мкм и 2,75 мкм соответственно. Авторами рассматривалась структура с множественными квантовыми ямами Cd0,37Hg0,63Te (16,6 нм) / Cd0,85Hg015Te (6 нм), состоящая из 30 периодов, выращенная методом МЛЭ. Накачка в эксперименте осуществлялась Nd:YAG лазером в непрерывном режиме. Полученные в работе спектры представлены на рис. 1. Оценочный расчёт даёт следующие результаты. Наиболее близким по энергии к наблюдаемым линиям люминесценции является излуательный переход с2 hh2 между вторым уровнем размерного квантования электронов и вторым уровнем квантования тяжёлых дырок. Этот переход осуществляется на длине волны 2,77
мкм при температуре 5 К и 2,73 мкм при температуре 60 К. Расчетное значение в хорошей степени согласуется с наблюдением при высокой температуре.
Рис. 1. Спектры спонтанного и стимулированного излучения 30-периодной МКЯ-структуры Сё0,37^063Те (16,6 нм) / Сё0;85^0д5Те (6 нм) при температуре ~60 К (а, стимулированное излучение) и 5 К (б, фотолюминесценция). Кривые -экспериментальные данные [6], стрелки - расчёт энергии переходов
Авторами [7] рассматривалась структура с МКЯ Сё0,ззН£0;67Те / Сё055^045Те с толщиной ямы и барьера, соответственно, 10 и 7 нм. Структура, состоящая из 5 периодов находится в центре волноводного слоя КРТ с составом х = 0,33 мол. дол., образующего резонатор в структуре. Чтобы избежать чрезмерного нагрева образца, возбуждение люминесценции в структуре осуществлялось импульсным Кё:УЛО лазером с модулированной добротностью. На рис. 2 представлены спектры излучения данной структуры при температуре 12 К. Расчёт в данном случае предсказывает переход с2 —» М2 на длине волны 2,24 мкм между вторыми уровнями размерного квантования электронов и лёгких дырок.
В работе [8] описан порог лазерной генерации в структуре с МКЯ, состоящей из 5 периодов Cd0;35Hg0;65Te (яма) / Сё0,55Н£0,45Те (барьер) с толщиной ям и барьеров 15 и 10 нм, соответственно. Для всех рассмотренных в работе образцов авторы наблюдали две полосы спонтанного излучения, соответствующие излучению в ямах и барьерах.
Для образца с МКЯ энергия Её материала ямы при температуре 10 К составляет величину 312 мэВ. При этом энергия линии излучения, составляющая величину порядка 360 мэВ, близка к энергии переходов в яме с1 —>■ /?/, (363 мэВ)
и сх —»/?/?, (343 мэВ), что подтверждает природу наблюдаемого пика, как обусловленного переходами в КЯ.
В работе [9] рассматривались структуры с градиентными слоями. МКЯ в данной структуре состояла из 5 периодов Cd0;44Hg0,56Te (15 нм) / Cd0,59Hg0,41Te (6,5 нм). Данная структура сравнивалась с гетероструктурой, включающей потенциальную яму с составом КРТ x = 0,44 и окружённой волноводным слоем с составом 0,7 мол. дол. Авторами было показано, что наличие в активной области структуры с МКЯ, а также градиентных слоёв существенно снижает порог лазерной генерации.
Рис. 2. Спектры стимулированного излучения 5-периодной МКЯ-структуры Сё0;ззН£0;б7Те (10 нм) / С^бН^^Те (7 нм) при температуре 12 К при различной плотности мощности накачки. Кривые - экспериментальные данные [7], стрелки -расчёт энергии переходов. Плотность мощности излучения накачки: а - 1,1 кВт/см2, б - 2,2 кВт/см2, в - 2,9 кВт/см2, г - 4,4 кВт/см2
В работе [10] была изготовлена структура в виде резонатора Фабри-Перо, образованная постростовым нанесением диэлектрических зеркал на структуру с активной областью, состоящей из 5 квантовых ям Cd0,32Hg0;68Te толщиной 14 нм, разделённых барьерами из Cd06Hg04Te толщиной 10 нм. Авторам удалось получить лазерную генерацию в подобной структуре при комнатной температуре. В работе [11] также сообщается о наблюдении стимулированного излучения в структуре с 5-периодной МКЯ Cd059Hg041Te (14 нм) / Cd0;75Hg0;25Te (10 нм) при комнатной температуре.
Все рассмотренные в данной статье публикации, посвящённые получению лазерного излучения в структурах с квантовыми ямами на основе КРТ, относятся к периоду 1989-1999 гг. Насколько известно авторам данной статьи, после этого работ в рассматриваемом направлении, описывающих результаты, отличные от приведённых выше, опубликовано не было. При этом также известно, что в настоящее время не существует промышленно производимых приборов
оптоэлектроники, основанных на использовании квантовых ям и сверхрешёток КРТ. Исследования так и не дошли до получения приборно-ориентированной электролюминесценции и создания инжекционных лазеров, использующих все преимущества квантовых ям на основе КРТ.
Ослабление интереса к данной научной проблеме в 2000-х годах, вероятно, было сопряжено с технологической сложностью и дороговизной изготовления многослойных наноструктур на основе материала КРТ. В настоящее время эта ситуация существенно выправилась благодаря прорывному развитию метода МЛЭ, и приблизительно с 2008 года начали появляться новые работы в данном направлении - посвящённые исследованию фотолюминесценции в структурах КРТ с КЯ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Jiang Y. Carrier Lifetimes and Threshold Currents in HgCdTe Double Heterostructure and Multi quantum -Well Lasers / Y. Jiang, M.C. Teich, W.I. Wang // J. Appl. Phys. - 1991. - Vol. 69 (10). - P. 6869-6875.
2 Voitsekhovskii A.V. Energy-band diagrams and capacity-voltage characteristic of CdxHg1-xTe-based variband structures calculated with taking into account the dependence of electron affinity on a composition / A.V. Voitsekhovskii, D.I. Gorn, S.N. Nesmelov, A.P. Kokhanenko // Opto-Electronics Review. -2010. - Vol. 18, N 3. - P. 241-245.
3 Analysis of the photoluminescence spectra of CdxHg1-xTe heteroepitaxial structures with potential and quantum wells grown by molecularbeam epitaxy / A.V. Voitsekhovskii, D.I. Gorn, I.I. Izhnin, A.I. Izhnin, V.D. Goldin, N.N. Mikhailov, S.A. Dvoretskii, Yu.G. Sidorov, M.V. Yakushev, V.S. Varavin // Russian Physics Journal. - 2013. - V. 55, N 8. - P. 910-916.
4 Voitsekhovskii A.V. Electrophysical characteristics of metal-insulator-semiconductor structures comprising CdHgTe-based quantum wells / A.V. Voitsekhovskii, D.I. Gorn // Advanced Materials Research. - 2014. - V. 1040. - P. 34-38.
5 An Investigation into the Admittance of MIS-Structures Based on MBE HgCdTe with Quantum Wells / S.M. Dzyadukh, A.V. Voitsekhovskii, S.N. Nesmelov, S.A. Dvoretskii, N.N. Mikhailov, D.I. Gorn // Russian Physics Journal. - 2013. - V. 56, N 7. - P. 778-784.
6 Stimulated emission at 2.8 m from Hg-based quantum well structures grown by photoassisted molecular beam epitaxy / N.C. Giles, J.W. Han, J.W. Cook Jr., J.F. Schetzina // Applied Physics Letters. - 1989. - V. 55. - P. 2026-2028.
7 Stimulated emission from Hg1-xCdxTe epilayer and CdTe/Hg1-xCdxTe heterostructuers grown by molecular-beam epitaxy / K.K. Mahavadi, S. Sivananthan, M.D. Lange, X. Chu, J. Bleuse, J.P. Faurie // J. Vac. Sci. Technol. - 1990. - V. 8 (2). - P. 1210-1214.
8 Cavity structure effects on CdHgTe photopumped heterostructure lasers / J. Bleuse, N. Magnea, J.-L. Pautrat, H. Mariette // Semicond. Sci. Technol. - 1993. - V. 8. - P. 5286-5288.
9 Optical gain and laser emission in HgCdTe heterostructures / J. Bonnet-Gamard, J. Bleuse, N. Magnea, J. L. Pautrat // J. Appl. Phys. - 1995. - V. 78 (12). - 6908-6915.
10 II-VI infrared microcavity emitters with 2 postgrowth dielectric mirrors / C. Roux, P. Filloux, G. Mula, J.-L. Pautrat // Journal of Crystal Growth. - 1999. - V. 201/202. - P. 1036-1039.
11 Room-temperature optically pumped CdHgTe vertical-cavity surface-emitting laser for the 1.5 mm range / C. Roux, E. Hadji, and J.-L. Pautrat // Applied Physics Letters. - 1999. - V. 75 (12). - P. 1661-1663.
© А. В. Войцеховский, Д. И. Горн, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов, 2015
