Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Температурная зависимость эффективного коэффициента оже-рекомбинации в лазерах InAs/GaAs на квантовых точках с длиной волны излучения 1.3 мкм й И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, Е.С. Семенова, А.П. Васильев, А.Е. Жуков, В.М. Устинов, Г.Г. Зегря Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 27 сентября 2004 г. Принята к печати 12 октября 2004 г.) Проведено исследование полупроводниковых лазерных гетероструктур с 5 и 10 слоями квантовых точек InAs/GaAs, выращенных на подложках GaAs, с длиной волны излучения 1.3мкм. Из анализа эффективности спонтанной излучательной рекомбинации от тока и температуры получены зависимости безызлучательного времени жизни и эффективного оже-коэффициента в квантовых точках. Показано, что при низких температурах (ниже 200 K) в квантовых точках преобладает беспороговый канал оже-рекомбинации, в то время как при более высоких температурах доминирует квазипороговый канал. Оценки эффективного трехмерного оже-коэффициента, выполненные в приближении сферической квантовой точки, дают хорошее согласие с полученными экспериментальными результатами.

1. Ввдение оже-процессов на пороговые характеристики и эффективность длинноволновых лазеров на КТ. В настоящей Полупроводниковые лазеры на квантовых точках (КТ) работе мы представляем анализ температурной зависипривлекают к себе большое внимание в связи с их мости эффективного коэффициента оже-рекомбинации и огромным потенциалом для применения в современной безызлучательного времени жизни носителей в лазерах оптоэлектронике [1]. В связи с этим особенно важно на КТ. Построена простая модель, позволяющая по детально понимать, какие физические процессы влия- зависимости интенсивности спонтанной рекомбинации ют на электрические и оптические свойства лазеров от тока накачки оценить эффективное время безызлуна КТ. В одной из первых теоретических работ по оже- чательной рекомбинации (мономолекулярной рекомбирекомбинации в КТ предсказывалось подавление скоро- нации), а также эффективный коэффициент оже-рекомсти оже-рекомбинации [2], которое связывалось с боль- бинации в КТ.

шой энергией локализации электрона в КТ. Однако дальнейшие исследования оже-рекомбинации в квантово2. Теоретическая модель размерных гетероструктурах выявили, что наличие гетерограницы приводит к снятию ограничений, наклаРезультаты измерения зависимости интегральной индываемых на электрон-электронное взаимодействие затенсивности от тока анализировались исходя из излоконами сохранения энергии и импульса. Это приводит женной далее модели. Мы предполагали, что полная к появлению в гетероструктурах новых беспороговоскорость спонтанной излучательной рекомбинации в го и квазипорогового каналов оже-рекомбинации [3].

активной области объемом V выражается следующим Было показано, что именно благодаря этим каналам образом [7,8]:

эффективность оже-рекомбинации растет с понижением L = VBn2, (1) размерности структуры. Так, в квантовых ямах (КЯ) [4] и квантовых проволоках (КП) [5] эффективность оже- где n Ч концентрация носителей и B Ч коэффициент спонтанной излучательной рекомбинации, который рекомбинации заметно выше, чем в объемном полупробудем считать не зависящим от концентрации носитеводнике. Поскольку КТ являются предельным случаем лей ниже тока прозрачности. Далее предположим, что размерного квантования носителей, в них следует ожиимеются два главных канала безызлучательной рекомдать увеличения эффективности оже-рекомбинации по бинации. Первый связан с безызлучательной рекомбисравнению с КЯ и КП. В работе [6] был проведен анализ нацией, линейно зависящей от концентрации носителей, излучательных характеристик длинноволновых (длина второй Ч это оже-рекомбинация, которая существенна в волны излучения 1.3 мкм) и коротковолновых (длина длинноволновых лазерах [9]. Тогда для полной скорости волны излучения 0.98 мкм) лазеров на КТ. Было покабезызлучательной рекомбинации можно записать зано, что оже-рекомбинация в длинноволновых лазерах на КТ по сравнению с коротковолновыми играет более n важную роль и вклад оже-процесса в пороговый ток K = V + Cn3, (2) nr может достигать 70% при комнатной температуре [6].

Поэтому становится особенно важно учитывать влияние где nr Ч время безызлучательной рекомбинации E-mail: novikov@switch.ioffe.ru ШоклиЦРида, C Ч эффективный коэффициент оже508 И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, Е.С. Семенова, А.П. Васильев...

рекомбинации. Будем считать, что рекомбинация вне ак- 4. Результаты и обсуждение тивной области пренебрежимо мала. Тогда для полного На рис. 1 представлены зависимости обратной эфтока можно записать фективности спонтанной рекомбинации от квадратного I = e(L + K), (3) корня из оптической мощности при различных температурах. Для дальнейшего анализа и расчета зависигде e Ч заряд электрона. При проведении эксперимента мости коэффициента спонтанной излучательной рекомочень сложно точно определить концентрацию носитебинации B от температуры использовалось следующее лей или полную выходную мощность L. Однако испольвыражение [12]:

зование линейного детектора мощности и неизменность условий измерений во время эксперимента позволяют 4 1 m3/2 + m3/2 Pk chh clh B(T ) = 2 3/2 Eg, (6) относительно легко измерять фиксированную долю из- 3/3 T m3/2 m3/2 c c v лучаемой мощности, т. е. мощность можно представить следующим образом:

где m3/2 = m3/2 + m3/2, mchh = mcmhh/(mc + mhh), mclh = v hh lh = mcmlh/(mc + mlh), mc, mlh, mhh Ч значения эффективPext = RL, (4) ных масс в полупроводнике для электрона, легкой и тяжелой дырки соответственно, Ч постоянная тонкой где Pext Ч измеренная мощность, а R Ч коэффициструктуры, c Ч скорость света в вакууме, Чдиэлекент пропорциональности между измеренной и реальной трическая проницаемость, Eg Ч ширина эффективной мощностью. Используя выражения (1)Ц(4), легко полузапрещенной зоны (в нашем случае мы использовачить выражение для обратной эффективности спонтанли энергию максимума спонтанного излучения), T Ч ной излучательной рекомбинации:

температура в эВ; Pk Ч параметр Кейна, который 1/2 1/рассчитывается по формуле I e e2V 1 = + Pext R R nr B Pext 1 Eg + P2 = Eg, (7) k 2 Eg +(2/3) mc e2 1/2 C + (Pext)1/2. (5) где Ч энергия спин-орбитального расщепления. РасR3V B3/чет проводился при следующих значениях параметров Таким образом, измерение зависимости выходной индля InAs: mc = 0.023me, mhh = 0.41me, mlh = 0.026me, тегральной интенсивности спонтанного излучения от = 0.41, = 1/137, = 12, me Ч масса свободного тока накачки и последующая аппроксимация измеренной электрона (me = 0.911 10-27 г). Характерные размеры зависимости кривой вида (5) позволяет вычислить время КТ составляют 15-20 нм в основании и 5-7нм в безызлучательной рекомбинации (nr ) и эффективный высоту [13], поэтому при расчете мы считали объем коэффициент оже-рекомбинации (C).

одной КТ равным V = 2 10-18 см3.

Результаты расчета времени безызлучательной рекомбинации при различных температурах, выполненные по 3. Эксперимент Экспериментальные образцы лазерных гетероструктур были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии. В качестве активной области структуры содержали 5 или 10 слоев КТ InAsЦGaAs, сформированных с использованием активированного распада InGaAs [10], и излучали в диапазоне длин волн 1.25-1.29 мкм. Подробности конструкции лазерных структур представлены в работе [11]. Лазерные диоды изготавливались в полосковой геометрии с шириной полоска 100 мкм.

Образцы крепились на медный теплоотвод эпитаксиальными слоями вниз при помощи индиевого припоя.

Характеристики исследовались при накачке импульсным током (длительность импульса 500 нс, частота повторения 1 кГц), мощность фиксировалась при помощи германиевого фотодиода. Для проведения эксперимента были изотовлены образцы с длиной резонатора 100 мкм Рис. 1. Зависимость обратной эффективности спонтанноиз структуры с 10 слоями КТ и длиной 75 мкм из го излучения от детектируемой мощности при различных структуры с 5 слоями КТ. Такая длина обеспечивала температурах для гетероструктуры с 10 слоями квантовых высокие потери на выход излучения, а также сильно точек. Штриховая линия Ч аппроксимация экспериментальной уменьшала эффекты перепоглощения. зависимости согласно (5).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Температурная зависимость эффективного коэффициента оже-рекомбинации в лазерах InAs/GaAs... оценкой, приведенной в работе [16], где также из анализа эффективности спонтанной рекомбинации была получена не зависящая от температуры величина времени безызлучательной рекомбинации 10 нс.

Результат расчета эффективного коэффициента ожерекомбинации в КТ при различных температурах представлен на рис. 3. Видно, что для всех структур эффективный коэффициент оже-рекомбинации падает с ростом температуры при температурах ниже 200 K и слабо растет или совсем не изменяется при температурах выше 200 K. Обращает на себя внимание как необычное температурное поведение эффективного коэффициента оже-рекомбинации, так и его величина. Как указывалось выше, исследования оже-рекомбинации в квантоворазмерных гетероструктурах выявили, что наличие геРис. 2. Зависимость эффективного безызлучательного времетерограницы приводит к снятию ограничений, наклани жизни от температуры для структур с 5 (1) и 10 (2) слоями дываемых на электрон-электронное взаимодействие заквантовых точек.

конами сохранения энергии и импульса. Это приводит к появлению в гетероструктурах нового беспорогового и квазипорогового каналов оже-рекомбинации [3]. При низких температурах беспороговый процесс, в отличие от порогового процесса, является достаточно эффективным каналом безызлучательной рекомбинации и для узких квантовых ям при высоких концентрациях носителей преобладает над процессом оже-рекомбинации с участием фононов. Наличие беспорогового матричного элемента электрон-электронного взаимодействия также существенно влияет на процесс оже-рекомбинации с участием фононов. Последний становится резонансным процессом и существенно усиливается по сравнению с трехмерным оже-процессом с участием фононов [4].

Схожее поведение теоретически предсказывалось и для квантовых нитей [5]. Таким образом, учитывая, что в КТ реализуется предельный случай размерного квантования, следует ожидать увеличения вероятности ожеРис. 3. Зависимость эффективного коэффициента ожерекомбинации по сравнению с квантовыми ямами, нирекомбинации от температуры для структур с 5 (1) и 10 (2) тями и объемными полупроводниками.

слоями квантовых точек.

Мы считаем, что за участок низких температур (до 200 K) ответствен беспороговый механизм, связанный с передачей большого момента импульса возбуизложенной выше методике, представлены на рис. 2.

жденному носителю заряда. В области высоких темпераВидно, что зависимость времени безызлучательной ретур (выше 200 K) начинает доминировать квазипорогокомбинации носит качественно схожий характер для вый процесс, в пределе бесконечно большого эффективвсех структур Ч все зависимости имеют максимум в ного размера КТ переходящий в трехмерный пороговый районе температуры 200 K. Как было показано ранее оже-процесс [4,5]. Действительно, беспороговый процесс для данных лазерных гетероструктур [14], эта темперасвязан с рассеянием носителей на гетерогранице, в то тура разделяет температурные области неравновесного время как квазипороговый зависит от степени локалии равновесного распределения носителей в КТ. При зации носителя [3]. При низких температурах носители температуре ниже 200 K осуществляется неравновессильнее локализованы в КТ, т. е. эффективный радиус ное распределение [15], когда заселение состояний КТ КТ меньше, чем при более высоких температурах, при определяется не распределением Ферми, а вероятноэтом растет вероятность рассеяния на гетерогранице и, стью захвата носителя в точку определенного раз- как следствие, беспороговый механизм преобладает над мера. По-видимому, причина наблюдаемого поведения квазипороговым процессом. Рост температуры приводит температурной зависимости безызлучательного времени к делокализации носителей (растет эффективный радиус рекомбинации связана именно с изменением характера волновой функции), что приводит к доминированию распределения неравновесных носителей в КТ. Также квазипорогового механизма над беспороговым.

следует отметить хорошее согласие полученных оценок В работе [17] была измерена температурная зависивеличины времени безызлучательной рекомбинации с мость эффективного коэффициента оже-рекомбинации Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 510 И.И. Новиков, Н.Ю. Гордеев, М.В. Максимов, Ю.М. Шерняков, Е.С. Семенова, А.П. Васильев...

в КТ по зависимости задержки оптического импульса то время как при более высоких температурах домипо сравнению с импульсом накачки, при этом эф- нирует квазипороговый. Оценки эффективного трехмерфективный коэффициент оже-рекомбинации уменьшался ного оже-коэффициента, выполненные в приближении с ростом температуры от 8 10-29 см6/с при 100 K сферической формы квантовой точки, дают хорошее до 4 10-29 см6/с при 300 K. Уменьшение коэффициен- согласие с полученными экспериментальными результата оже-рекомбинации связывалось с влиянием возбу- тами.

жденных состояний КТ и температурной зависимостью Работа была выполнена при поддержке фондов скорости электрон-дырочного рассеяния, что является SANDiE, INTAS, программы Министерства науки ДФиодним из механизмов снятия порога в оже-процессе [3].

зика твердотельных наноструктурУ и РФФИ, а также В работах [18,19] изложен формализм микроскопинаучной программы РАН и президиума РАН. Автор ческой теории оже-рекомбинации в КТ в приближении И.И. Новиков благодарит за финансовую поддержку сферической КТ. В пределе большой локализации элекфонд ДДинастияУ и МЦФФМ.

трона ( /2mca2 Vc, где a Ч эффективный радиус КТ, Vc Ч высота гетеробарьера в зоне проводимоСписок литературы сти) получается следующее выражение для вероятности (обратного времени) оже-перехода:

[1] N.N. Ledentsov, et al. IEEE J. Select. Topics Quant. Electron., 5/2 3/2 8, 1015 (2002).

1эВ 1 Vc 5 10-7 см G = 107, (8) [2] J.L. Pan. Phys. Rev. B, 46, 3977 (1992).

Eg mc/me Eg a [3] Г.Г. Зегря, В.А. Харченко. ЖЭТФ, 101, 327 (1992).

[4] A.S. Polkovnikov, G.G. Zegrya. Phys. Rev. B, 58, 4039 (1998).

где Eg Ч энергия перехода. Условие /2mca2 Vc [5] Е.Б. Догонкин, Г.Г. Зегря, А.С. Полковников. ЖЭТФ, 117, в нашем случае выполняется, поскольку для размера 429 (2000).

КТ (10-15) нм слева стоит величина 8-20 мэВ, в то [6] I.P. Marko, A.D. Andreev, A.R. Adams, R. Krebs, J.P. Reithвремя как Vc 260 мэВ [20]. Для оценки эффективного maier, A. Forchel. IEEE J. Select. Topics Quant. Electron., 9, трехмерного оже-коэффициента C3D необходимо умно1300 (2003).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам