Оптические явления, связанные с локализованными и резонансными состояниями в полупроводниковых структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Софронов, Антон Николаевич

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Софронов, Антон Николаевич

I Оптические явления, связанные с резонансными состояниями

1 Электролюминесценция в напряженных микроструктурах

-GaAsN/GaAs и квантовых ямах w-GaAs/AlGaAs в дальнем инфракрасном диапазоне

1.1.1 Деформация и расщепление вырожденных состояний энергетического спектра.

1.1.2 Стимулированное дальнее ИК излучение из одноосно деформированного p-Ge.

1.1.3 Донорный центр в квантовой яме

1.1.4 Постановка задачи.

1.2 Техника эксперимента.

1.2.2 Экспериментальные установки.

1.3 Экспериментальные результаты их обсуждение.

1.3.1 Вольт-амперные характеристики.

1.3.2 Интегральные характеристики электролюминесценции

1.3.3 Спектральные характеристики электролюминесценции

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физика полупроводников», 01.04.10 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические явления, связанные с локализованными и резонансными состояниями в полупроводниковых структурах»

2.1.1 Размерное квантование валентной зоны.65

2.1.2 Акцепторный центр в квантовой яме .71

2.1.3 Постановка задачи.76

2.2 Техника эксперимента.77

2.2.2 Экспериментальные установки.79

2.3 Экспериментальные результаты их обсуждение.81

2.3.1 Равновесная концентрация дырок.81

2.3.2 Спектры равновесного поглощения.84

2.3.3 Модуляция поглощения в электрическом поле.94

II Оптические явления, связанные с возбужденными состояниями 99

3 Электролюминесценция в структурах с квантовыми ямами jp-GaAs/AlGaAs и в эпитаксиальных слоях w-GaN в дальнем инфракрасном диапазоне 100

3.1.1 Дальнее ИК излучение мелких доноров и акцепторов при пробое примеси электрическим полем.100

3.1.2 Дальнее ИК излучение мелких доноров в кремнии . 105

3.1.3 Постановка задачи.106

3.2 Техника эксперимента.107

3.2.2 Экспериментальные установки.107

3.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение.108

4 Фотоиндуцированное поглощение в структурах с квантовыми точками р-Ge/Si 119

4.2 Техника эксперимента.123

4.2.2 Экспериментальная установка.123

4.3 Экспериментальные результаты их обсуждение.126

Список публикаций автора 131

Актуальность темы. Изучение специфических квазилокализованных (или резонансных) состояний, наводимых в полупроводниках и полупроводниковых структурах мелкими примесными донорными и акцепторными центрами, представляет интерес как с фундаментальной точки зрения, так и в связи с возможностью создания твердотельных источников терагерцового излучения. Возрастающий в последнее время интерес к терагерцовому (ТГц) излучению связан с широкими возможностями его применения в различных областях науки и техники.

В то же время существующие на настоящий момент полупроводниковые источники дальнего инфракрасного излучения сдерживают его потенциальные применения, поскольку они требуют криогенных (4 К) температур и сильных электрических и магнитных полей (лазер на p-Ge в скрещенных электрических и магнитных полях), либо сильного механического давления (лазер на одноосно-деформированномр-Go). Развивающиеся в последнее время квантово-каскадные лазеры на этот диапазон крайне сложны в изготовлении. Системы, в которых эмиссия ТГц излучения осуществляется за счет генерации разностной частоты в нелинейной среде отличаются малой эффективностью преобразования и требуют сложных конструктивных решений для обеспечения режима синхронизации мод.

В основе физического механизма стимулированного излучения из одноосно-деформированного p-Ge [1, 2] лежит инверсная населенность резонансного и основного состояний акцептора [2, 3, 4, 5]. Резонансные состояния акцепторов возникают вследствие расщепления валентной зоны внешним давлением [6]. Однако резонансные состояния примесей могут возникать и без внешнего давления в структурах с квантовыми ямами. Такие состояния мелких примесей наблюдались, например, при исследовании спектров фотопроводимости в структурах с квантовыми ямами Ge/GeSi [7], развиты теоретические методы расчета параметров резонансных состояний [8, 9, 10, 11, 12, 13]. В таких системах, в принципе, также возможно появление стимулированного ТГц излучения при низких температурах в электрическом поле.

В настоящей работе для наблюдения ТГц излучения при переходах носителей заряда между резонансными и локализованными состояниями предлагается использовать напряженные микроструктуры p-GaAsN/GaAs, в которых внешнее давление заменяется встроенными механическими напряжениями, и структуры с квантовыми ямами rc-GaAs/AlGaAs. В обоих типах структур имеются резонансные состояния мелких примесей.

Прямое наблюдение резонансных состояний в спектрах оптического поглощения в терагерцовом диапазоне сопряжено с экспериментальными трудностями. В настоящей работе проведено исследование спектров оптического поглощения в легированной акцепторами структуре с узкими квантовыми ямами р-GaAs/AlGaAs, в которой спектральные особенности поглощения, связанные с резонансными состояниями, лежат в среднем ИК диапазоне.

Известны также эксперименты по наблюдению стимулированного ТГц излучения в объемном р-Si при оптической накачке СОо лазером [14] и спонтанного ТГц излучения в Si п- и р-типа при электрической накачке [15, 16, 17, 18, 19]. Эмиссия излучения обусловлена внутрицентровыми переходами носителей между локализованными долгоживущим возбужденным и основным состояниями примесных центров, и наблюдалась при температурах ниже 40 К.

В работе также предложено исследовать эмиссию ТГц излучения при внут-рицентровых переходах носителей при пробое примесей электрическим полем в структурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs и в эпитаксиальных пленках я-GaN. Размерное квантование позволяет в известной степени изменять энергетический спектр мелких примесей внутри квантовой ямы. Малая плотность состояний зоны проводимости в нитриде галлия позволяет расширить температурный диапазон наблюдения ТГц излучения до 80 К.

Кремний традиционно считается "не оптическим"материалом, поскольку экстремумы зоны проводимости и валентной зоны находятся в разных точках зоны Бриллюэна. В то же время развитие микроэлектроники связывается сейчас с активным использованием оптической связи между различными элементами интегральных схем. Структуры с самоорганизованными квантовыми точками Ge/Si обладают фоточувствительностью в области энергий кванта менее ширины запрещенной зоны кремния (см., например, [20]), обусловленной межзонными оптическими переходами из основного состояния квантовой точки в валентной зоне в зону проводимости кремния; также наблюдалась и электролюминесценция из таких структур. Спектральное перекрытие электролюминесценции и фотопроводимости в таких структурах делает возможным разработку оптоэлек-тронной пары [21], работающей в ближнем ИК, где собственное поглощение в Si мало, что позволит использовать кремниевые волноводы. Такие системы могут достаточно легко быть интегрированы в существующую кремниевую технологию.

В то же время такие системы интересны с фундаментальной точки зрения. В работе приводятся результаты экспериментальных исследований спектров фо-тоиндуцированного поглощения в структурах с Si/Ge квантовыми точками в средней ИК области. В полученных спектрах для разных поляризаций излучения можно выделить вклады от оптических переходов из основного и возбужденного состояний дырок в континуум делокализованных состояний над барьером, а также от межуровневых переходов дырок.

Основной целью диссертационной работы является исследование оптических явлений в полупроводниках и полупроводниковых структурах при возникновении в них резонансных состояний мелких примесных центров, а также оптических явлений, обусловленных неравновесным заселением возбужденных локализованных состояний носителей заряда. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование эмиссии терагерцового излучения в структурах с напряженными слоями p-GaAsN на GaAs в сильных электрических полях в условиях пробоя акцепторов, обусловленной неравновесным заселением резонансных состояний, возникающих благодаря расщеплению валентной зоны встроенными механическими напряжениями.

2. Проведение аналогичных исследований в структурах с широкими квантовыми ямами и-GaAs/AlGaAs, в которых резонансные состояния доноров возникают благодаря пространственному ограничению волновых функций мелкой примеси.

3. Экспериментальное исследование оптического поглощения в среднем ИК диапазоне в узких квантовых ямах р-GaAs/AlGaAs, обусловленного наличием резонансных состояний акцепторов, в равновесных условиях и при разогреве дырок продольным электрическим полем.

4. Экспериментальное исследование терагерцовой электролюминесценции в структурах с узкими квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs, а также в эпитак-сиальных слоях n-GaN, в которых излучение обусловлено неравновесным заселением локализованных возбужденных состояний мелких примесных центров в условиях пробоя примесей электрическим полем.

5. Исследование фотоиндуцированного поглощения в структурах с самоорганизованными квантовыми точками Ge/Si.

Основные полученные а работе результаты обладают существенной научной новизной, или получены на новых объектах — полупроводниковых микро-и наноструктурах и обладают существенными элементами новизны. Полученные результаты важны не только для физики полупроводников и физики низкоразмерных систем, но имеют и прикладное значение, например, для разработки новых источников терагерцового излучения или разработки детекторов излучения среднего ИК диапазона.

Научная и практическая значимость работы.

Большая часть исследований относится к такой актуальной области, как полупроводниковые нанотехнологии. Обнаружен ряд явлений (излучение и поглощение света терагерцового и ИК диапазонов, связанное с переходами носителей заряда между резонансными и локализованными состояниями примесных центров в микро- и наноструктурах с квантовыми ямами, поглощение света в квантовых точках Ge/Si, обусловленное переходами дырок из возбужденных состояний, модуляция света в наноструктурах в сильных электрических полях при пробое примесей и др.), данные о которых расширяют представление о физических явлениях в полупроводниках. Результаты могут быть использованы при конструировании источников и детекторов терагерцового и ИК диапазонов.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально наблюдаемая эмиссия терагерцового излучения в микроструктурах p-GaAsN/GaAs и наноструктурах n-GaAs/AlGaAs в условиях примесного пробоя при температуре жидкого гелия обусловлена главным образом наличием резонансных состояний мелких примесей в обоих типах структур. Доминирующий вклад в излучение дают внутрицентровые оптические переходы между резонансными и локализованными состояниями примесных центров.

2. Спектры поглощения света в наноструктурах с квантовыми ямами р-GaAs/AlGaAs, легированных акцепторами, позволяют установить наличие резонансных состояний мелких акцепторных примесей и их энергетический спектр. Оптическое поглощение при переходах дырок из основного состояния акцептора в резонансные состояния, подвешенные к возбужденным подзонам размерного квантования, происходит при той же поляризации излучения, что и межподзонные переходы из первой в соответствующие возбужденные подзоны размерного квантования дырок в условиях, когда энергетический зазор между подзонами существенно превышает энергию связи основного состояния.

3. Экспериментально наблюдаемое оптическое просветление структуры с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs в электрическом поле при температуре жидкого азота в области равновесного поглощения при переходах в резонансное состояние обусловлено процессами примесного пробоя и уменьшением числа нейтральных акцепторов.

4. Экспериментально наблюдаемая эмиссия терагерцового излучения в структурах с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs и в эпитаксиальных пленках я-GaN обусловлена неравновесным заселением возбужденных состояний примесных центров в процессе пробоя примеси электрическим полем.

5. В спектрах поглощения света Ge/Si квантовыми точками при межзонной оптической накачке имеются пики, связанные с переходами дырок как из основного, так и из возбужденных состояний.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались автором на российских и международных конференциях, в частности: и

1. 15th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Novosibirsk, Russia, June 25-29, 2007

2. Симпозиум "Полупроводниковые лазеры: физика и технология", С.Петербург, 5-7 ноября 2008.

3. X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников, опто- и наноэлектронике, СанктПетербург, 1-5 декабря 2008.

4. Нанофизика и наноэлектроника-2009, март 16-20, Нижний Новгород.

5. IX Российская конференция по физике полупроводников, 28 сентября - 3 октября 2009 г., Новосибирск — Томск

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 статьях и докладах, среди которых 8 публикаций в ведущих рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях и 10 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 154 страницы, в том числе 51 рисунок, 3 таблицы. Список литературы включает 137 наименований.