Создание и исследование спонтанных источников света для средней ИК-области спектра на основе узкозонных полупроводников А3В5

Содержание
ВВЕДЕНИЕ....................................................................5
Глава 1. Светодиоды для средней ИК-области спектра 1.6-5 мкм (обзор) 13
1.1. Узкозонные полупроводниковые материалы А^В5 для светоизлучающих структур, работающих в диапазоне 1.6-5 мкм.......................................13
1.1.1. Бинарные соединения ваБЬ и 1пАз..................................13
1.1.2. Многокомпонентные твердые растворы на основе ваБЬ................14
1.1.3. Многокомпонентные твердые растворы на основе 1пЛз................20
1.2. Особенности зонных энергетических диаграмм гетеропереходов I и II типа на основе узкозонных полупроводников А3В5...........................................23
1.3. Излучательная и безызлучательная рекомбинация в гетеропереходах I и II типа.............................................................................37
1.4. Элекгролюминесце1ггные свойства светодиодов на основе гетсрострукгур Оа1пА5БЬ/АЮаАзБЬ (1.6 -2.4 мкм)..................................................43
1.5. Электролюминесцентные свойства светодиодов на основе гетероструктур ГпАбБЬЛпАбБЬР (3-5 мкм)..........................................................48
1.6. Способы повышения оптической мощности светодиодов на основе узкозонных гетероструктур Л3В5..............................................................51
1.7. Выводы к главе 1.......................................................55
Глава 2. Методика создания и исследования светодиодных гетероструктур на основе узкозонных твердых растворов в системе СаБЬЛпАв...........................57
2.1. Особенности технологии жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) гетероструктур на основе твердого раствора ОаГпАзБЬ................................................57
2.2. Особенности технологии газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ) гетероструктур на основе 1пА$/1пА$БЬ(Р).......................58
2.3. Постростовая обработка светодиодных гетероструктур.....................60
2.4. Методика исследования вольт-амперных и люминесцентных характеристик светодиодных гетероструктур......................................................61
2.5. Выводы к главе 2.......................................................64
2
Глава 3. Новые подходы к созданию высокоэффективных спонтанных источников излучения для среднего ИК диапазона (1.6 - 5 мкм) на основе объемных гетероструктур А3В5.............................................................65
Введение...................................................................65
3.1. Исследование электролюминесценции в объемных 1ч;тероструктурах I типа на основе 1пА$/1пА$8Ь(Р)......................................................... 65
3.2. Исследование электролюминесценции в объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа на основе ваБЬ с высокими потенциальными барьерами.......................................................................73
3.2.1. Исследование электролюминесценции в изотипной гетероструктуре Т4-
СаЗЬ/Ы-АЮаЛзБЬ/пЛпОаАзЗЬ...................................................75
3.2.2. Исследование электролюминесценции в анизотипных гетероструктурах на
основе ОаБЬ................................................................81
3.3. Выводы к главе 3......................................................90
Глава 4. Исследование электролюминесценции в квантово-размерных гетероструктурах на основе Са8Ь с глубокими квантовыми ямами А1(А5)8Ь/1пА88Ь/А1(Л5)8Ь........................................................92
Введение...................................................................92
4.1. Создание и характеризация квантово-размерных гетероструктур на основе ва8Ь с глубокой квантовой ямой Л1(А$)8Ь/1пА$8Ь/Л1(Л$)8Ь, выращенных методом МОГФЭ...........................................................................93
4.2. Обнаружение и исследование эффекта сверхлинеГшой зависимости интенсивности люминесценции и оптической мощности от тока накачки в гетероструктурах с глубокой квантовой ямой......................................94
4.3. Теоретические оценки процесса ударной ионизации в глубокой квантовой яме и сопоставление с экспериментом...................................................99
4.4. Выводы к главе 4.....................................................103
Глава 5. Применение светодиодов на основе узкозонных гстероструктур для создания портативного анализатора содержания воды в нефти......................104
Введение..................................................................104
3
5.1. Исследование поглощения воды и нефти с помощью светодиодов, излучающих в диапазоне 1.6-2.3 мкм.......................................................104
5.2. Разработка оптической ячейки на основе светодиодной матрицы портативного анализатора воды в нефти с учетом особенностей поглощения водонефтяной эмульсии....................................................................108
5.3. Определение калибровочной кривой анализатора воды в нефти.........111
5.4. Вывод к главе 5....................................................ИЗ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................114
Список литературы......................................................119
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Работы по созданию и исследованию узкозонных гстсроструктур в системе ОаБЫпАэ, перекрывающих средний инфракрасный диапазон, активно ведутся на протяжении последних десятилетий. Спектральная область 2-5 мкм актуальна для задач экологии и охраны окружающей среды, поскольку в этой области находятся характеристические полосы поглощения многих природных и промышленных газов (СО, СО:, СН4, Н25, паров воды и др.). Наличие характеристических полос поглощения открывает широкие возможности для разработки оптических методов газового анализа, контроля технологических параметров промышленной продукции, медицинской диагностики и др [1].
С точки зрения практического использования, источники спонтанного ИК излучения обладают рядом преимуществ по сравнению с лазерами и тепловыми источниками. Они миниатюрны, отличаются низким энергопотреблением, высоким быстродействием (~10-50нс), излучают в узком спектральном диапазоне (по сравнению с тепловыми источниками) и не требуют применения дополнительных фильтров [2].
Однако квантовая эффективность и оптическая мощность светодиодов на базе узкозонных гстсроструктур А3В5 невысока по сравнению с источниками спонтанного излучения для видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов на основе, например, ваАэ и 1пР, в которых внутренний квантовый выход близок к 1. К настоящему времени для светодиодов на основе СаГпАБЗЫЛЮаАзЗЬ, работающих в диапазоне 1.6-2.4 мкм, достигнуты значения средней оптической мощности 1-3 мВт в квазистацноиарном режиме при комнатной температуре [2]. В то же время средняя оптическая мощность светодиодов, излучающих в области 3-5 мкм, существенно ниже. Главным образом, это связано с сильным влиянием процесса безызлучатсльной оже-рекомбинации, скорость которой возрастает при уменьшении ширины запрещенной зоны и повышении температуры [3]. Поэтому важной проблемой является поиск путей повышения квантовой эффективности и оптической мощности светодиодов на основе узкозонных полупроводников. В последние годы для увеличения квантовой эффективности солнечных фотоэлементов в структурах с квантовыми точками предлагается механизм умножения носителей за счет освещения структуры высокоэнергетичиыми фотонами [4]. В работе [5] была показана возможность использовать большие скачки потенциала в зоне проводимости на гетерогранице для увеличения отношения коэффициентов ионизации в лавинных фотодиодах на основе многослойных гетероструктур СаАз/ОаЛЬ^э с квантовыми ямами. Однако, дтя светоизлучающих структур эти эффекты ранее не рассм атри вал ись.
5
Актуальность данной работы заключается в том, что в работе был исследован и апробирован экспериментально новый метод получения суперлинейной люминесценции и увеличения оптической мощности в светоизлучающих узкозонных гетероструктурах на основе ваБЬ с большими скачками потенциала на гетерогранице, превышающими пороговую энергию ионизации в узкозонном материале, а также в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами.
Цель работы: исследование люминесцентных свойств объемных гетероструктур I и II типа с высокими потенциальными барьерами и квантово-размерных гетероструктур с глубокими квантовыми ямами в системе твердых растворов СаБЬ-1пАз-А1БЬ для спектрального диапазона 1.5-5.0 мкм и разработка новых методов увеличения квантовой эффективности и оптической мощности.
Для достижения поставленной пели решались следующие основные задачи:
• Исследование люминесцентных характеристик узкозонных гетсроструктур I типа на основе ^АзЛпАбБЬЛпАбБЬР для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединении (МОГФЭ);
• Исследование электролюминесценции и оптической мощности в объемных изотнпных и анизотипных гетероструктурах II типа на основе п-ОаБЬ с узкозонной активной областью 1пСаА$БЬ и высокими потенциальными барьерами на гетерогранице, выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в зависимости от тока накачки;
• Исследование механизмов излучательной рекомбинации и ударной ионизации в объемных гстеросгрукгурах на основе ваБЬ с высокими потенциальными барьерами на гетеро границе;
• Исследование электролюминесценции и оптической мощности в зависимости от тока накачки в наногстерострукгурах с глубокими квантовыми ямами А1(А5)БЬ/1пА$БЬ/А1(А8)БЬ, выращенных методом МОГФЭ на подложках п-ваБЬ;
• Теоретические оценки параметров квантовых ям и механизма ударной ионизации электронами в структурах с глубокими квантовыми ямами А1(А$)БЬ/1пА$БЬ/А1(А5)БЬ и сопоставление с экспериментом;
• Применение светодиодов на основе узкозонных полупроводников А3В5 для исследование водо-нефтяных эмульсий в спектральном диапазоне 1.6.-2.4 мкм.
6
Научная новизна результатов, полученных в работе состоит в следующем:
• Обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция в диапазоне энергий фотонов 0.2-0.8 эВ и диапазоне температур 77-300 К в объемных изотипных и анизотнпных гстсроструктурах II типа с узкозонной активной областью 1пСаАз8Ь и высокими потенциальными барьерами на гетерогранице, выращенных методом ЖФЭ.
• Проведены оценки пороговых энергий ионизации в объемных изотипных и анизотипных гетероструктурах II типа Т4-Оа8Ь/14-АЮаА58Ь/п-1пОаА58Ь, Ы-СаБЬ/п-1пСаАз8Ь/Р-АЮаА$8Ь с большой энергией скачка потенциала ДЕс в зоне проводимости на гетерогранице. Показано, что наблюдаемая суперлинейная зависимость интенсивности электролюминесценции и оптической мощности от тока накачки может быть объяснена вкладом в излучательную рекомбинацию дополнительных электронно-дырочных пар за счет эффекта ударной ионизации электронами, разогретыми за счет большого скачка потенциала в зоне проводимости (ДЕс) на гетерограницах М-АЮаАзБЬ/пЧпСаАзБЬ и 14-СаБЬ/п-ГпСаАвЗЬ.
• Впервые обнаружена и исследована суперлинейная электролюминесценция в наногетерострукгурах на основе ваБЬ с глубокой квантовой ямой А1(Аз)8Ь/1пА$8Ь/А1(А$)8Ь при температурах 77 и 300 К в интервале энергий фотонов 0.6-
0.8 эВ, выращенных методом МОГФЭ.
• Установлено, что возрастание интенсивности люминесценции и оптической мощности излучения с током накачки, как в объемных гстсроструктурах, так и в наногетерострукгурах с квантовыми ямами происходит по степенному закону Р=А*1В, где I - ток накачки, А - подгоночный параметр. При этом показатель степени В лежит в диапазоне 1.5-2 для объемных гетеро структур и 2-3 для наногетероструктур в интервале температур 77-300 К.
• В наногетерострукгурах на основе ОаБЬ с глубокой квантовой ямой А1(А5)8Ь/1пА$8Ь/А1(А$)8Ь теоретически рассчитано положение энергетических уровней в квантовой яме А1(А5)8Ь/1пАз8Ь/А1(А5)8Ь, пороговая энергия ионизации электронов и подтверждена возможность создания дополнительных электронно-дырочных пар, участвующих в излучательной рекомбинации, за счет эффекта ударной ионизации в глубокой квантовой яме.
Практическая значимость работы:
• Разработаны и исследованы два типа конструкций светодиодов на основе двойных гетерострукгур I типа 1пА58ЬР/1пА$/1пАз8ЬР, выращенных на подложках р- и п-
7
1пАя для спектрально го диапазона 3.3-3.4 мкм. За счет использования широкозонных ограничительных слоев и улучшения условий отвода тепла из активной области получено значение внутреннего квантового выхода светодиодов 22.3% в импульсном режиме.
• Предложен новый оригинальный способ повышения оптический мощности и квантовой эффективности светоизлучающих структур за счет использования процесса ударной ионизации в объемных гетероструктурах II типа на основе ваБЬ с высокими потенциальными барьерами на гетерограницах и в наногетероструктурах с глубокими квантовыми ямами. Данный подход может быть использован для увеличения квантовой эффективности светоизлучающих структур на основе других полупроводниковых материалов, а также солнечных и термофотовольтаических элементов.
• Предложен и реализован портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе оптопары светодиодная матрица - фотодиод, работающей в среднем ИК-диапазоне (1.6-2.4 мкм).
Научные положения, выносимые на защиту:
1. В объемных гетсрострукгурах Ы-Са81УЫ-АЮаА58Ь/п-1пОаА$8Ь и Ы-Са5Ь/п-[пСаАзЗЬ/Р-АГСаЛБЗЬ с высокими потенциальными барьерами, состоящих из двух широкозонных и одного узкозонного слоя, зависимость электролюминесценции от тока накачки носит суперлинейный характер, что обусловлено созданием дополнительных электронно-дырочных пар за счет эффекта ударной ионизации горячими электронами, разогретыми на скачке потенциала в зоне проводимости на гстсрограницс Ы-АЮаА$$Ь/п-1пСаАь8Ь в изотипной структуре и на гетерограницс Ы-Са5Ь/п-1пСаА$8Ь в анизотипной. При этом суперлинейная электролюминесценция наблюдается для двух спектральных полос Ьу| * 0.3 эВ и Ьу2 % 0.7 эВ, соответствующих излучательной рекомбинации в узкозонной активной области и вблизи гстерограннцы с Ы-ОаБЬ.
2. В двумерных гетсрострукгурах на основе ва8Ь с глубокой и узкой квантовой ямой А1(Аз)8Ь/1пА$8Ь/А1(А5)8Ь излучатсльная рекомбинация реализуется при переходах между первым уровнем электронов Ес| и дырок ЕЬь а ударная ионизация осуществляется электронами, разогретыми на скачке потенциала в зоне проводимости ДЕс = 1.27 эВ на границе А1(А5)8ЬЛпА$8Ь, превышающего пороговую энергию ионизации электронами е* = Ее1 + Eg 1пА£Ь + Ей) внутри квантовой ямы.
3. Зависимость оптической мощности излучения от тока накачки в объемных гетероструктурах с высокими потенциальными барьерами и в наногегсроструктурах с глубокой квантовой ямой определяется общим степенным законом Р=А*1 , где А -
8
подгоночный параметр, I - ток накачки. При этом в области температур 77-300 К показатель степени В меняется в диапазоне 1.5-2 для объемных гетероструктур и в диапазоне 2-3 для наногетероструктур. Более сильная зависимость оптической мощности от тока в квантово-размерных структурах обусловлена более эффективной локализацией носителей в глубокой квантовой яме.
4. Разработан оптический метод анализа содержания воды в водонефтяных эмульсиях в среднем ИК диапазоне с помощью оптопары, содержащей трехэлсмснтную светодиодную матрицу и фотодиод, при этом влияние рассеяния на границе фаз нефть-вода учитывается за счет использования дополнительного светодиода с длиной волны Х=2.2 мкм.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и семинарах:
IIth International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (Chicago, USA, September 4th - 8th, 2012); 31й International Conference on the Physics of Semiconductors (Zurich, Switzerland, July 29th t- August 3rd 2012); 20th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology (Nizhny Novgorod, Russia, June 24-30 2012); 13,h Intem. Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (Prague, 3-8 July 2011); 8й Белорусско-Российский семинар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» (Минск, май 2011); International Scientific and Applied Conference “Opto-Nano Electronics and Renewable Energy Sources 2010м (Varna, Sept. 2010); 10th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (Shanghai, Sept. 2010); Interdisciplinary Conference on Chemical, Mechanical and Materials Engineering (7-20 December, 2009, Melbourne, Australia); XI Всероссийская молодежная конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлсктроникс (30 ноября - 4 декабря 2009, С.-Петербург); Второй Международный форум по нанотехнологиям (6-8 октября 2009, Москва); а также обсуждались на семинарах в лаборатории Инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе и в лаборатории MOVPE Института физики Чешской академии наук (г. Прага, Чешская Республика).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах, получено 2 патента, библиографический список публикаций приведен в конце диссертации.
9
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, включая 67 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемой литературы включает 114 наименований.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, отмечены научная новизна и практическая ценность, изложены представляемые к защите научные положения.
Первая глава носит обзорный характер и посвящена описанию свойств и методов создания полупроводниковых материалов в системе узкозонных твердых растворов Са8Ь-1пА$, параметров светоизлучающих приборов для среднего ИК диапазона на их основе, а также способов, применяемых на данный момент для повышения квантовой эффективности и оптической МОЩНОСТИ светодиодов.
Несмотря на существование различных методов повышения внутренней и внешней квантовой эффективности гетсрострукгур на основе узкозонных твердых растворов в системе СаБЫлАэ, дальнейший поиск новых подходов к увеличению оптической мощности и эффективности светоизлучающих приборов является актуальной задачей.
Вторая глава является методической и содержит описание методики определения характеристик светодиодов, а также основных особенностей технологии роста объемных гетероструктур методами МОГФЭ, ЖФЭ и постростовой обработки светодиодных структур. Приведено описание установок для исследования вольт-амперных и люминесцентных характеристик светодиодных гетерострукгур.
Трстья глава посвящена созданию и исследованию спонтанных источников излучения для среднего ИК диапазона (1.5-5 мкм) на основе объемных гетерострукгур ^АзБЬЛпАбЗЬР и ГпСаАбЗЬ/ЛЮаЛзБЬ.
Приводятся результаты исследования люминесцентных свойств длинноволновых светодиодов для спектрального диапазона 3.3-3.4 мкм, выращенных методом МОГФЭ, на основе двойных гстероструктур I типа п-1пА5/п-1пА5/р-1пА$/Р-1пА5$ЬР с выводом излучения через сильнолегированную подложку пЛпАб и гетерострукгур р-1пЛ&/Р-1пА58ЬР/п-1пА5/М-1пА$8ЬР, в которых излучение выводилось через широкозонный слой М-ГпАвБЬ. Показано, что конструкция светодиода с выводом излучения через подложку п-1пАз обеспечивает более эффективный теплоотвод и, как следствие, более высокую стабильность спектральных характеристик при увеличении тока инжекции, а также более высокую квантовую эффективность излучателыюй рекомбинации.
Представлены результаты исследования суперлинейной электролюминесценции в объемных изотипных М-Са$Ь/М-АЮаА8$Ь/п-1по934СаооббА55Ь и анизотипных М-СаБЬ/п-
10