автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Фотопроводимость и фотолюминесценция эпитаксиальных пленок и структур с квантовыми ямами на основе HgCdTe в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне

На правах рук |писи (1?

1 у* ^

(А

Румянцев Владимир Владимирович

Фотопроводимость и фотолюминесценция эпитаксиальных пленок и структур с квантовыми ямами на основе Н§Сс1Те в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2014

1 I ДсК ¿014

005556694

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки

Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН)

Научный руководитель: Гавриленко Владимир Изяславович,

доктор физико-математических наук, зам. директора ИФМ РАН

Официальные оппоненты: Мынбаев Карим Джафарович,

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией фотоэлектрических явлений в полупроводниках Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН

Фирсов Дмитрий Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики полупроводников и наноэлектроники радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова»

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного

совета Д 002.098.01 при Институте физики микроструктур РАН (607680,

Нижегородская обл., Кстовский район, д. Афонино, ул. Академическая, д. 7).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФМ РАН.

Автореферат разослан "24" ноября 2014 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор

Гайкович К.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время твердые растворы Hgi_xCdxTe (кадмий-ртуть-теллур, КРТ) занимают лидирующее положение среди материалов, на основе которых разрабатываются фотоэлектрические детекторы излучения среднего инфракрасного диапазона, в том числе на окна прозрачности атмосферы 3-5 мкм и 8 - 14 мкм. Благодаря тому, что HgTe обладает инвертированной зонной структурой или, иначе, «отрицательной» шириной запрещенной зоны, в твердом растворе Hg!.xCdxTe можно получить произвольную ширину запрещенной зоны от 0 до 1,6 эВ. Гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) на основе Hg|.xCdsTe открывают дополнительные возможности по управлению энергией межзонных переходов и «дизайну» энергетического спектра носителей.

Тем не менее, несмотря на большое количество информации по технологии и свойствам этих соединений, полученной за годы исследований, свойства узкозонных твердых растворов Hgi_xCdxTe, отвечающих составам с х < 0,2 и энергиям межзонных переходов менее 100 мэВ, остались плохо изученными. Считается, что «продвижению» объемных КРТ структур в длинноволновую область (красная граница фундаментального поглощения X > 15 мкм) препятствуют флуктуации состава твердого раствора .г, что при малых значениях ширины запрещенной зоны Ef приводит к недопустимо большим флуктуациям Eg.

Современные методы молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) позволяют проводить рост слоев Hg,.xCdxTe при низких температурах и выращивать как эпитаксиальные слои Hg,.xCdxTe высокого качества с дг < 0,2, так и структуры с КЯ на основе узкозонных твердых растворов Hg].xCd4Te. Это привело к возрождению интереса к таким системам, в которых был продемонстрирован ряд «экзотических» фундаментальных эффектов, в том числе гигантское расщепление Рашбы, антипересечение уровней Ландау электронов и дырок, наличие состояний топологического изолятора. Однако, помимо фундаментального интереса.

возможность получения сколь угодно узкой запрещённой зоны делает системы на основе Ь^,.хСс1хТе привлекательными и для приложений, в частности, для приборов дальней инфракрасной и терагерцовой оптоэлектроники (диапазон длин волн X > 20 мкм). Естественной представляется задача продвижения Ь^1_хСс1хТе приемников в дальний инфракрасный диапазон. Кроме того, благодаря улучшению качества материала возникают и предпосылки для создания длинноволновых источников излучения на основе Н"|.хСс1хТе. Так, в квантовых ямах из «инвертированного» материала с барьерами из «нормального» материала существует критическое значение толщины ямы, при котором ширина запрещённой зоны обращается в ноль, а электроны и дырки имеют линейный, «графеноподобный» закон дисперсии. Многочисленные работы, посвященные созданию длинноволновых лазеров на основе графена, позволяют рассматривать вопрос о возможности перенесения полученных в этих работах результатов на существенно более гибкие с точки зрения технологии гетеросистемы на основе Н«|_хС<1хТе.

Решение вышеперечисленных задач требует изучения оптических свойств материала в соответствующем диапазоне длин волн, а также процессов межзонной рекомбинации носителей в полупроводниковых структурах на основе узкозонных твердых растворов Ь^|.хСс1хТе. Учитывая, что темпы рекомбинации во многом определяются уровнями в запрещенной зоне, данная задача неразрывно связана со спектроскопией примесей и дефектов в исследуемых образцах.

Таким образом, достигнутое в последние годы существенное улучшение качества эпитаксиальных слоев и гетероструктур с КЯ на основе узкозонных твердых растворов Н"!.хСс1хТе делает актуальной задачу об изучении оптических свойств данных материалов в длинноволновых участках спектра (диапазон длин волн X > 20 мкм) с целью создания источников и приемников излучения соответствующего диапазона.

Степень разработанности темы исследований

Большая часть исследований твердых растворов НЦ]_хСс1хТе выполнена для значений .г > 0,2, при которых длина волны излучения, соответствующая ширине запрещенной зоны материала, попадает в диапазон ^ < 15 мкм. Меньшая степень изученности более узкозонных твердых растворов Н2ьхСс!хТе связана со сложностью получения материала с низким содержанием кадмия [1]. В последние десятилетия наблюдается прогресс в технологии роста эпитаксиальных структур на основе Ь^1.,.С(1хТе, как объемных слоев [2], так и гетероструктур ИЦ]_хСс1хТе/Сс!уН21.>,Те с КЯ [3] с шириной запрещенной зоны менее 100 мэВ, однако их свойства плохо изучены. Так, не была исследована фотопроводимость узкозонных твердых растворов Ь^1_хСс!хТе с .V < 0,2, и структур с квантовыми ямами с красной границей межзонных переходов, отвечающей длинам волн более 20 мкм.

Времена рекомбинации в твердых растворах Н«1_хСс1хТе также в основном изучались для х > 0,2 [4-8]. Было установлено, что основным механизмом рекомбинации в твердых растворах с х — 0,2 и низкой темновой концентрацией носителей является рекомбинации Шокли-Рида-Холла [7], но остался открытым вопрос о роли излучательной и оже-рекомбинации при высокой концентрации носителей [6]. Таким образом, неисследованным остался излучательный потенциал таких структур. В частности, в литературе практически нет данных о люминесценции из полупроводниковых структур на основе Н«1.хСс1хТе в длинноволновом диапазоне (длины волн более 15 мкм), в то время как исследование излучательных свойств таких систем представляется перспективным с точки зрения создания лазеров на диапазон 20 - 50 мкм. недоступный для приборов на основе полупроводников АЗВ5 из-за сильного решеточного поглощения.

Таким образом, процессы фотопроводимости и фотолюминесценции в узкозонных полупроводниковых структурах на основе Н«1_хСс1хТе в длинноволновом диапазоне (длина волны более 15 мкм) остаются неисследованными, несмотря на очевидную важность данной тематики для практических приложений.

Основные цели работы

Основной целью диссертационной работы являлось получение нового научного знания о свойствах эпитаксиальных слоев и гетероструктур с КЯ на основе узкозонных и бесщелевых твердых растворов 1-^|.хС(1хТе. Это включает в себя решение следующих задач:

1. Исследование спектров фотопроводимости эпитаксиальных слоев и гетероструктур на основе узкозонных твердых растворов Н§].хСс1хТе и выявление особенностей, обусловленных наличием примесей и дефектов. Изучение трансформации спектров фотопроводимости при изменении температуры, сравнительный анализ спектров фотопроводимости и зонной структуры образцов; выявление хвостов плотности состояний в запрещенной зоне.

2. Исследование кинетики фотопроводимости и времен жизни носителей в эпитаксиальных слоях и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе узкозонных твердых растворов ^^Сс^Те. Оценка предельной чувствительности и эквивалентной мощности шума приемников на основе исследуемых структур, выявление доминирующих механизмов межзонной рекомбинации носителей при различных интенсивностях оптического возбуждения.

3. Исследование спектров фотолюминесценции эпитаксиальных слоев и гетероструктур с КЯ на основе узкозонных твердых растворов Ь^|.хСс1хТе в условиях непрерывного и импульсного оптического возбуждения при различных температурах; выявление особенностей, обусловленных наличием примесей и дефектов, сопоставление результатов с имеющимися литературными данными.

4. Исследование кинетики фотолюминесценции эпитаксиальных слоев и гетероструктур с КЯ на основе узкозонных твердых растворов Ь^1_хСс1хТе, сравнение кинетики фотопроводимости и фотолюминесценции при разных температурах и при различной интенсивности возбуждающего излучения, оценка необходимой мощности оптической накачки для обеспечения инверсной населенности в исследуемых структурах.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Идентифицированы особенности спектров фотопроводимости эпитаксиальных слоев узкозонных твердых растворов I Ге! _ с! хТс п-типа как обусловленные резонансными состояниями акцепторов, переходы в которые ранее наблюдались только для бесщелевых составов материала.

2. Исследована кинетика релаксации межзонной фотопроводимости в эпитаксиальных слоях твердых растворов 11ц,_хСс1хТе и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе Н§1_хСс1хТе в длинноволновом ИК диапазоне, ранее исследовавшаяся лишь в структурах с шириной запрещенной зоны, соответствующей энергиям квантов среднего ИК диапазона, и продемонстрировало, что с ростом уровня возбуждения доминирующим механизмом рекомбинации становится излучательная, а не оже-рекомбинация, как полагалось ранее.

3. Исследованы спектры межзонноп фотолюминесценции в длинноволновом ИК диапазоне вплоть до 26 мкм в эпитаксиальных слоях узкозонных твердых растворов №,_хСс1чТе, ранее изученные лишь до длин волн 12-16 мкм.

4. Исследования спектров фотолюминесценции с временным разрешением в гетероструктурах с квантовыми ямами на основе Ь^|.хСс!хТе с шириной запрещенной зоны 60-80 мэВ показали, что время релаксации фотолюминесценции в квантовых ямах при интенсивном оптическом возбуждении может достигать 5 мкс, что на 2 порядка превышает известное для таких структур время релаксации межзонной фотопроводимости при слабом возбуждении. Эффект связывается с насыщением канала безызлучательной рекомбинации по механизму Шокли-Рида-Холла.

5. В гетероструктурах с квантовыми ямами при импульсном оптическом возбуждении обнаружена полоса фотолюминесценции в области длин волн ~ 3 мкм. обусловленная переходами с участием глубоких центров в барьерных слоях Сс^Нц,, 3Те, которые ранее наблюдались в более длинноволновом диапазоне в твердых растворах с меньшим содержанием .V = 0.2-0,4. на фоне которой при низкой температуре Т = 18 К наблюдается \чкая (20 см"') линия нхлученпя, которая может быть связана со стимулированным излучением.

Теоретическая и практическая значимость работы

Научная значимость работы заключается в получении нового научного знания об оптических свойствах и процессах рекомбинации в эпитаксиальных слоях 11«].хС(]хТе и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе узкозонных твердых растворов ^|_хСс1хТе в терагерцовом, дальнем инфракрасном и среднем инфракрасном диапазонах. Обнаружены резонансные состояния акцепторов в эпитаксиальных слоях узкозонных твердых растворов ^1.хС(1хТе. Впервые продемонстрирована межзонная фотолюминесценция на длинах волн вплоть до 26 мкм в эпитаксиальных слоях Н§|_хС(1хТе. Показано, что в гетероструктурах с квантовыми ямами температурное гашение фотолюминесценции выражено слабее по сравнению с объемными образцами с близкой шириной запрещенной зоны и сигнал фотолюминесценции сохраняется до комнатной температуры.

Измерены времена рекомбинации носителей и оценены характеристики потенциального приемника, которые могут быть реализованы на базе исследуемых структур. Большое время спада сигнала фотолюминесценции указывает на перспективность квантовых ям на основе узкозонных твердых растворов Ь^1_хСс1хТе как активной среды для генерации длинноволнового излучения на межзонных переходах. Таким образом, полученные в диссертации результаты моглт быть использованы при создании новых оптоэлектронных приборов терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона.

Методология и методы исследования

В работе использованы апробированные методики исследования. Оптические свойства эпитаксиальных слоев и гетероструктур с квантовыми ямами на основе узкозонных твердых растворов ^[.хСс1хТе исследовались методами фурье-спектроскопии фотопроводимости и спектроскопии люминесценции с временным разрешением. Для изучения процессов рекомбинации и времени жизни носителей использовалась прямая методика исследования кинетики релаксации фотопроводимости при межзонном возбуждении короткими (1,5 пс - 7 не) импульсами длинноволнового излучения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Особенности в виде резких пиков в окрестности 150 см'1 и 270 см"1, наблюдаемые в спектрах фотопроводимости узкозонных твердых растворов Hgi_xCdxTe при низких температурах, обусловлены наличием резонансных с континуумом зоны проводимости состояний акцепторов.

2. В эпитаксиальных слоях объемного твердого раствора Hgi_xCdxTe (х = 0,21 -0,23), выращенных методом МЛЭ, зависимость времени релаксации фотопроводимости от ширины запрещенной зоны на начальном участке кинетики фотоотклика указывает на доминирующую роль излучателыюй рекомбинации носителей в условиях сильного возбуждения.

3. В эпитаксиальных слоях объемного твердого раствора Hgi_xCdxTe обнаружена межзонная фотолюминесценция в длинноволновом ИК диапазоне вплоть до длины волны 26 мкм при х = 0,19. Показано, что в структурах с квантовыми ямами температурное гашение фотолюминесценции выражено слабее, чем в объемных твердых растворах Hgi_xCdxTe с близкой шириной запрещенной зоны.

4. Время релаксации межзонной фотолюминесценции в структурах с квантовыми ямами с шириной запрещенной зоны в диапазоне 480 - 650 см"1 возрастает с увеличением интенсивности оптического возбуждения до 5 мкс при концентрации неравновесных носителей выше 1013 см ", что должно приводить к усилению на межзонных оптических переходах.

5. В гетероструктурах с квантовыми ямами с барьерными слоями Hg03Cd07Te обнаружена новая линия фотолюминесценции на частоте 2700 см"1, соответствующая энергиям переходов меньше половины ширины запрещенной зоны в барьерах. Долговременная (единицы микросекунд) кинетика нарастания и спада интенсивности линии позволяет связать ее с переходами с участием глубоких центров (ловушек). При низкой температуре (18 ЬС) на коротковолновом краю линии возникает узкий (20 см'1) пик. предположительно связанный со стимулированным излучением.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается применением апробированных в ИФМ РАН и в других исследовательских центрах методик. Результаты экспериментальных исследований приводятся в сопоставлении с теоретическими расчетами, а также с другими данными, представленными в литературе. Основные результаты диссертации докладывались на XVI - XVIII Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2012, 2013, 2014 г.); 13 и 15 Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2011, 2013 г.); 11 Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2013 г.); XXII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2012 г.); 16 Международной конференции «International Conference on Solid Films and Surfaces» (Генуя, Италия, 2012 г.); а также на семинарах ИФМ РАН. Все вышеперечисленное в совокупности свидетельствует о достоверности полученных результатов и сделанных на их основании выводов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе б статей в реферируемых журналах и 22 публикации в сборниках тезисов докладов и трудов конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 126 страниц, включая 58 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 109 наименований.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, показана научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы, приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1 представляет собой обзор литературы по теме диссертации. В первом параграфе дано определение узкозонных полупроводников, к числу которых относятся исследуемые в работе твердые растворы I [Ц|.хСс1хТс, отмечены их основные свойства и использование в приложениях. Во втором параграфе приведены базовые сведения о процессах межзонного поглощения света в твердых растворах ^,.хСс1хТе. Третий параграф посвящен описанию процессов рекомбинации носителей в узкозонных полупроводниках на примере твердых растворов Ь^!.хСс1хТе. Параграф 1.4 содержит обзор литературных данных по уровням примесей и дефектов, наблюдавшихся ранее в твердых растворах Н«1_хСс1Де. В параграфе 1.5 приведен краткий обзор предшествующих исследований фотолюминесценции и стимулированного излучения в среднем инфракрасном диапазоне в структурах на основе Ь^.хСс^Те.

Глава 2 посвящена исследованию спектров фотопроводимости эпитаксиальных слоев узкозонных и бесщелевых твердых растворов Н«,.хСс1хТе, а также гетероструктур с квантовыми ямами на основе Ь^,.хСс1хТе в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне.

В параграфе 2.1 приведены сведения об исследуемых образцах. В параграфе 2.2 описана использованная в данной работе методика регистрации спектров фотопроводимости. Параграф 2.3 посвящен исследованию длинноволнового края спектров фотопроводимости исследуемых образцов. Показано, что резкость длинноволновой границы спектров одинакова для объемных эпитаксиальных слоев узкозонных твердых растворов На,.хСёчТе и гетероструктур с квантовыми ямами, как из чистого НцТе, так и для ям с добавлением С<1

Параграф 2.4 посвящен особенностям спектров фотопроводимости, обусловленным не межзонными переходами, а переходами с участием уровней.

создаваемых дефектами кристаллической решетки. В узкозонных твердых растворах n-типа (ширина запрещенной зоны менее 100 см'1) установлено наличие состояний акцепторов с энергиями -150 см"' и ~ 270 см"1, попадающих в континуум зоны проводимости, т.е. являющихся резонансными. Идентификация данных состояний проведена путем измерения спектров фотопроводимости в магнитном поле. С увеличением магнитного поля ширина запрещенной зоны материала увеличивается за счет квантования Ландау электронов, и уровни акцепторов, на которые относительно слабое магнитное поле (до 3 Т) не влияет, выходят из зоны проводимости, что приводит к исчезновению резких пиков чувствительности на спектрах фотопроводимости. Аналогичным образом данные состояния могут быть выявлены в измерениях спектров фотопроводимости при различных температурах. Показано, что подобные спектральные линии наблюдаются и в структурах с КЯ, исследовано их температурное гашение.

Глава 3 посвящена исследованию кинетики релаксации фотопроводимости в эпитаксиальных слоях узкозонных твердых растворов Hgi_xCdxTe и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе Hg,.xCdxTe.

Параграф 3.1 содержит описание методики измерения кинетики фотопроводимости, применяемой в данной работе.

В параграфе 3.2 представлены результаты исследования кинетики фотопроводимости в условиях слабого возбуждения, когда форма сигнала фотоотклика экспоненциальна. Установлено, что времена релаксации фотопроводимости увеличиваются с ростом ширины запрещенной зоны, что свидетельствует о доминировании безызлучательного механизма рекомбинации Шокли-Рида-Холла. Показано, что среди исследованных образцов время релаксации фотопроводимости в КЯ меньше, чем в объемных твердых растворах с близкой шириной запрещенной зоны. В конце параграфа приведены оценки чувствительности и эквивалентной мощности шума приемника (длина волна 20 мкм при Т = 77 К), который может быт ь создан на основе исследуемых образцов.

В параграфе 3.3 приведены результаты исследований кинетики релаксации фотопроводимости в условиях сильного возбуждения. Показано, что при 12

интенсивном возбуждении объемных эпитаксиальных слоев На.хС<1хТе (х = 0,21 -0,23) на осциллограмме фотоотклика возникает быстрый неэкспоненицальный участок спада. Форма данного участка близка к гиперболической, а время релаксации при фиксированной мощности возбуждения уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны образца, что характерно для излучательной рекомбинации в условиях сильного уровня возбуждения. Таким образом, при увеличении мощности накачки излучательный канал рекомбинации в исследуемых объемных образцах становится доминирующим.

Глава 4 содержит результаты исследования фотолюминесценции эпитаксиальных слоев узкозонных твердых растворов Н«1_хСс1хТе, а также гетероструктур с квантовыми ямами на основе 1121.хСс1хТс в длинноволновом ИК диапазоне. В параграфе 4.1 рассмотрены особенности исследования спектров фотолюминесценции в длинноволновом ИК диапазоне и описана методика измерения спектров ФЛ, использованная в работе.

В параграфе 4.2 представлены результаты исследования спектров фотолюминесценции при непрерывной накачке. Сигнал фотолюминесценции детектируется вплоть до 26 мкм (18К), при этом ширина линии фотолюминесценции при 18К составляет 6-8 мэВ. Показано, что температурное гашение фотолюминесценции в структурах с потенциальными и квантовыми ямами выражено слабее по сравнению с объемными образцами с близкой шириной запрещенной зоны.

Параграф 4.3 посвящен исследованию спектров и кинетики фотолюминесценции в условиях импульсного возбуждения. Время релаксации фотолюминесценции в объемных образцах при 18К составляет ~ 2 мкс. При исследованиях спектров фотолюминесценции в структурах с квантовыми ямами помимо линий, обусловленных межзонной рекомбинацией в яме и барьерах обнаружена полоса люминесценции в окрестности 3 мкм. Особенностью данной полосы «длинная» кинетика релаксации - 7 мкс. При Т = 18К на ее коротковолновом краю наблюдается узкая (20 см'1) линия, которая, как и вся полоса, отсутствует на спектрах фотолюминесценции. полученных при

непрерывном возбуждении. При 100К время релаксации для данной полосы становится 3 мкс и узкая линия не наблюдается. Продемонстрировано, что время релаксации межзонной фотолюминесценции в квантовой яме увеличивается с ростом интенсивности накачки и достигает ~5 мкс. На основе данной величины произведена оценка необходимой интенсивности возбуждения на длине волны 1 мкм для достижения инверсной населенности в исследуемых структурах, которая составила всего 1 Вт/см2.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы

Исследования спектров фотопроводимости эпитаксиальных слоев узкозонных твердых растворов ^].хСс1хТе в магнитном поле, а также при различных температурах позволили выявить состояния акцепторов, попадающих в континуум зоны проводимости, т.е. являющиеся резонансными. Показано, что в спектрах фотопроводимости структур с квантовыми ямами присутствуют аналогичные особенности [АЗ, Аб].

С помощью исследований кинетики фотопроводимости в эпитаксиальных слоях и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе узкозонных и бесщелевых твердых растворов Ь^|.хСс1хТе определены времена жизни носителей в данных структурах, оценена перспективность исследуемых структур как фотоприемников дальнего инфракрасного и терагерцового диапазона [АЗ, А5]. Установлена доминирующая роль излучательной рекомбинации носителей в эпитаксиальных слоях с составом х = 0,21 - 0,23 в условиях сильного уровня возбуждения (1014 -Ю13 фотонов в импульсе длительностью 7 не на длине волны 11 мкм) [А4].

Впервые получены спектры длинноволновой (до 26 мкм) межзонной фотолюминесценции в узкозонных эпитаксиальных слоях ^].хСс1хТе и исследована их зависимость от температуры [А1]. Показано, что температурное гашение фотолюминесценции в гетероструктурах с квантовыми и потенциальными ямами на основе Нц|.хСс1чТе выражено слабее по сравнению с объемными образцами [А1. А2].

В эпитаксиальных слоях и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе узкозонных твердых растворов Hg!.xCdxTe исследования спектров фотолюминесценции при импульсном возбуждении показали, что время релаксации сигнала фотолюминесценции в структурах с квантовыми ямами увеличивается с ростом интенсивности накачки и достигает 5 мкс; сделана оценка необходимой мощности накачки для достижения инверсной населенности в подобных ямах. В структурах с квантовыми ямами обнаружена узкая линия, связываемая со стимулированным излучением на переходах между состояниями континуума и уровнем глубокого центра, связанного с вакансиями катионов в барьерах [А2].

Полученные в работе результаты свидетельствуют о высоком потенциале наногетероструктур на основе Hgi_xCdxTe для создания длинноволновых лазеров и предполагают дальнейшее развитие исследований фотолюминесценции и поиски стимулированного излучения в специально сконструированных волноведущих структурах.

Список цитируемой литературы

1. Rogalski, A. IlgCdTe infrared detector material: history, status and outlook / A. Rogalski // Reports on Progress in Physics. —2005. — T. 68. № 10. — C. 22672336.

2. Varavin, V.S. UgCdTe epilayers on GaAs: growth and devices / V.S. Varavin, V.V. Vasiliev, S.A. Dvoretsky, N.N. Mikhailov, V.N. Ovsyuk, Y.G. Sidorov, A.O. Suslyakov, M.V. Yakushev, A.L. Aseev//Proceedings ofSPIE. —2003, — T. 5136. — C. 381-395.

3. Dvoretsky, S. Growth of IlgTe Quantum Hells for IR to TH: Detectors / S. Dvoretsky, N. Mikhailov, Y. Sidorov, V. Shvets, S. Danilov, B. Wittman, S. Ganichev// Journal of Electronic Materials. — 2010. — T. 39. № 7. — C. 918-923.

4. Chang, Y. Carrier recombination lifetime characterization of molecular beam epitaxially grown IlgCdTe / Y. Chang, C.H. Grein, J. Zhao, C.R. Becker, M.E. Flatte, P.K.. Liao, F. Aqariden, S. Sivananthan /7 Applied Physics Letters. —2008. — T. 93. № 19. —C. 192111.

5. Donetsky, D. Minority carrier lifetime in type-2 InAs-GaSh strained-layer superlattices and bulk IlgCdTe materials / D. Donetsky, G. Belenky, S. Svensson, S. Suchalkin //Applied Physics Letters. —2010. — T. 97. X» 5. — C. 052108.

6. Jozwikowski. K.. The bulk generation-recombination processes and the carrier lifetime in mid-wave infrared and long-wave infrared liquid nitrogen cooled IlgCdTe alloys / K. .Tozwikowski. M. Kopytko. A. Rogalski // Journal of Applied Physics. —2012. — T. 112. JVi> 3. — C. 033718.

7. Krishnamurthy, S. Minority carrier lifetimes in HgCdTe alloys / S . Krishnamurthy, MA. Berding, Z.G. Yu 11 Journal of Electronic Materials. —2006. — T. 35. № 6. — C. 1369-1378.

8. Lopes V.C. Minority carrier lifetime in mercury cadmium teliuride / V.C. Lopes, A.J. Syllaios, M.C. Chen // Semiconductor Science and Technology. —1993. — T. 8.№6S. — C. 824.

Список основных публикаций автора по теме диссертации

Al. Morozov, S. V. Efficient long wavelength interband pholohtminescence from HgCdTe epitaxial films at wavelengths up to 26pm / S. V. Morozov, V. V. Rumyantsev, A. V. Antonov, К. V. Maremyanin, К. E. Kudryavtsev, L. V. Krasilnikova, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii and V. I. Gavrilenko // Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 104. - P. 072102 A2. Morozov, S. V. Time resolved photoluminescence spectroscopy of narrow gap I[gi.xCdxTe/CdyHgi_yTe quantum well heterostructures / S. V. Morozov, V. V. Rumyantsev, A. V. Antonov, A.M. Kadykov, К. V. Maremyanin, К. E. Kudryavtsev, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii and V. I. Gavrilenko // Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 105. - P. 022102 A3. Rumyantsev, V.V. Spectra and kinetics of THz photoconductivity in narrow-gap Hgi_xCdxTe (x< 0.2) epitaxial films / V.V.Rumyantsev, S.V.Morozov, A.V.Antonov, M.S.Zholudev, K.E.Kudryavtsev, V.I.Gavrilenko, S.A.Dvoretskii, N.N.Mikhailov// Semicond. Sci. Technol. - 2013. - Vol.28. - P. 125007 A4. Румянцев, В.В. Особенности спектров и кинетики релаксации длинноволновой фотопроводимости в узкозонных эпитаксиальных тенках и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе HgCdTe / В.В. Румянцев,

A.В. Иконников, А.В. Антонов, С.В. Морозов, М.С. Жолудев, К.Е. Спирин, В.И. Гавриленко, С.А. Дворецкий, Н.Н. Михайлов // Физика и техника полупроводников - 2013,- Т.47, вып.11. - С. 1446

А5. Морозов, С.В. Исследования времен жизни и релаксации

фотопроводимости в гетероструктурах с квантовыми ямами IfgxCd,.xTe,CdyJ/g,.yTe / С.В. Морозов, М.С. Жолудев, А.В. Антонов, В.В. Румянцев, В.И. Гавриленко, В.Я. Алешкин, А.А. Дубинов, С.А. Дворецкий, Н.Н. Михайлов, О. Drachenko, S. Winnerl, Н. Schneider, М. Helm // Физика и техника полупроводников - 2012. - Т.46, вып. 11. - С. 1388 А6. Иконников, А.В. 7срагерцовая спектроскопия узкозонных гетероструктгр с квантовыми ямами па основе HgTe CdTe / А.В.Иконников, А.А.Ластовкин, К.Е.Спирин, М.С.Жолудев, В.В.Румянцев, К.В.Маремьянин, А.В.Антонов,

B.Я.Алёшкпн, В.И.Гавриленко, С.А.Дворецкий, Н.Н.Михайлов, Ю.Г.Садофьев. N.Samal // Письма в ЖЭТФ - 2010. - Т. 92, вып.11. - С. 837.

А7. Узкозонные гетероструктуры с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe для приемников mepa.x'pitoeoro Оиапазона . В.И. Гавриленко, А.В.Иконников. А.А. Ластовкпн, К.Е. Спирин. М.С.Жолудев, В.В. Румянцев. К.В. Маремьянин. А.В. Антонов. В.Я. Алешкин. С.А. Дворецкий. Н.Н. Михайлов // VIII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и

субмиллиметровых волн: тезисы докладов. — Нижний Новгород, 1-4 марта 2011, —с. 25.

А8. Терагериовая фотопроводимость в гстероструктурах HgTe/CdHgTe (013) с квантовыми ямами / К.Е. Спирин, М.С.Жолудев, A.B. Антонов, В.В. Румянцев, В.И. Гавриленко, H.H. Михайлов, С.А. Дворецкий. / Материалы XV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». — Нижний Новгород, 14-18 марта 2011. — с. 151-152. А9. Исследования времен жизни носителей в графеноподобных гстероструктурах с квантовыми ямами HgyCdi.yTe/Cdl.xHgxTe методом терагериовой ритр-ргоЬе-спектроскопии / С.В.Морозов, М.С.Жолудев, A.B. Антонов, В.В. Румянцев, В.И. Гавриленко, A.A. Дубинов, О. Drachenko, S. Winnerl, H. Schneider and M. Helm. // Материалы XV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» — Нижний Новгород, 14-18 марта 20И, —с. 508-509. А10. Узкозонные гетероструктуры с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe /

B.И. Гавриленко, К.Е. Спирин, A.B. Иконников, М.С. Жолудев, A.B. Антонов, A.A. Ластовкин, В.В. Румянцев, В.Я. Алешкин, С.А. Дворецкий, H.H. Михайлов // Материалы X Российской конференции по физике полупроводников. — Нижний Новгород, 19-23 сентября 2011. — с. 51

All. Спектры и кинетика терагериовой фотопроводимости в узкозонных твердых растворах Hg,.xCdxTe (х<0,2) / В.В. Румянцев, В.И. Гавриленко // Материалы 13 всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. — Санкт-Петербург, 21 -25 ноября 2011. — с.З AI 2. Исследования времен жизни и релаксации фотопроводимости в гстероструктурах с квантовыми ямами llg1.iCdyTe/Cd,.xHgxTe / C.B. Морозов, М.С. Жолудев, A.B. Антонов, В.В. Румянцев, A.A. Дубинов, В.Я. Алешкин, В.И. Гавриленко, С.А.Дворецкий, H.H. Михайлов, О. Drachenko, S. Winnerl, H. Schneider and M. Helm // Материалы XVI Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». — Нижний Новгород, 12-16 марта 2012. —с.318-319. А13. Спектрокинетические исследования терагериовой фотопроводимости в объемных структурах Hg,.,CdxTe (х < 0,2) . В.В. Румянцев, C.B. Морозов, К.Е Кудрявцев, A.B. Антонов, В.И. Гавриленко, С.А. Дворецкий, H.H. Михайлов // Материалы XVI Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». — Нижний Новгород, 12-16 марта 2012. — с.370-371. А14. Терагериовая фотопроводимость в узкозонных структурах на основе тверйых растворов lfg,.xCdxTe (х < 0,2) / .Румянцев В.В., Морозов C.B.. Жолудев М.С., Кудрявцев К.Е., Антонов A.B., Гавриленко В.И., Дворецкий

C.А., Михайлов H.H. // Труды XXII Международной научно-техническая конференции, школы молодых специалистов и выставки по фотоэлектронике и приборам ночного видения. — Москва. 22-25 мая 2012 г. — с. 129-132.

AI 5. TU: spectroscopy of narrow-gap IlgTc CdllgTe Oils ami HgCdTe films / V.l. Ga\Tilenko, A.V. Ikonnokov. M.S. Zholudev. V.V. Rumyantsev, K.E. Spirin. A.A. Lastovkin. K.V. Maremvanin. A.V. Antonov. A.A. Dubinov. S.V. Morozov. V.Ya.

Aleshkin, N.N. Mikhailov, S.A. Dvoretsky // Abst. 2nd Int. Conf. "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" — Moscow, 20-22 June, 2012, —c.69.

A16. Investigation of THz photoconductivity and carriers lifetime in narrow-gap HgyCdi.vTe/Cd¡.JIgxTe OW and bulk structures with graphene-like energy-momentum law / S.V.Morozov, V.V.Rumyantsev, V.Ya.Aleshkin, A.V.Antonov, M.S.Joludev, K.E.Kudryavtsev, V.I.Gavrilenko, N.N.Michailov, O.Drachenko, S.Winnerl, H.Schneider, M.Helm // Abstr. 3rd EOS Topical Meeting on Terahertz Science and technology. — Prague, Czech Republic, 17-20 June 2012. — c. 5317.

A17. Генерация и детектирование терагериового излучения в узкозонных гетероструктурах с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe и эпитаксшиьных слоях CdHgTe / В.И. Гавриленко, В.В. Румянцев, М.С.Жолудев, A.B. Антонов, К.Е Кудрявцев, Л.В.Красильникова, A.B. Иконников, A.A. Дубинов, C.B. Морозов, В.Я. Алёшкин, H.H. Михайлов, С.А. Дворецкий // IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн: тезисы докладов. — Нижний Новгород, 26 февраля - 1 марта 2013. — с. 23.

А18. Исследования спектров и кинетики фотопроводимости и спектров ФЛ в эпитаксиальчых /пенках Hg¡.xCdxTe u Hg¡.xCdxTe /CdvHg¡.vTe структурах с квантовыми ямами в ТГц диапазоне / C.B. Морозов, A.B. Антонов, К.В. Маремьянин, В.В. Румянцев, Л.В. Красильникова, С.С. Сергеев, Д.И. Курицын, H.H. Михайлов и В.И. Гавриленко // Материалы XVII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» . — Нижний Новгород, 11-15 марта 2013. — с.529-530.

А19. Spin Hall Effect influence on transport properties of HgCdTe 2D and 3D semiconductor systems / F. Teppe, C. Consejo, W. Knap, N. Diakonova, C.B. Морозов, В.И. Гавриленко, B.B. Румянцев, М.С. Жолудев, H.H. Михайлов // Материалы XVII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» . — Нижний Новгород, 11-15 марта 2013. — с.531-532.

А20. О возможности создания лазера дальнего ПК диапазона на основе соединении кадмий-ртуть-теллур ■' В.И. Гавриленко, C.B. Морозов, A.A. Дубинов, М.С. Жолудев, В.В. Румянцев, В.Я. Алёшкин, H.H. Михайлов, С.А. Дворецкий // Тез. докл. XI Росс. конф. по физике полупроводников. ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН. — С.Петербург, 2013 . —с.44

А21. С.пектрокинетическпе исследования длинноволновой ПК фотопроводимости в узкозонных пленках и структурах с квантовыми ямами на основе IIg¡. xCd¡Те / B.B. Румянцев, C.B. Морозов, A.B. Антонов, К.Е. Кудрявцев, В.И. Гавриленко. H.H. Михайлов, С.А. Дворецкий // Тез. докл. XI Росс. конф. по физике полупроводников. ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН . — С.Петербург, 2013 . — с.112

А22. Длинноволновая (¡ютолюминесцениия в узкозонных объемных стр\кнпрах IlgCdíe и квантовых ямах Hg,_.CdJ~eC\l,.Jlg.Te. / C.B. Морозов. A.B. Антонов. B.B. Румянцев. K.B. Маремьянин. Л.В. Красильникова. H.H. Михайлов. С.А. Дворецкий. В.И. Гавриленко. // Тез. докл. XI Росс. конф. по

физике полупроводников. ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН. — С.Петербург, 2013 .

— С.237

А23. Длинноволновая ИК фотолюминесценция и фотопроводимость в узкозонных твердых растворах Hg,.xCdxTe и КЯ Hg,.xCdxTe/ CdyHgi_yTe / B.B. Румянцев,

B.И.Гавриленко // 15 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (тезисы докладов) . — Санкт-Петербург, 25-29 ноября 2013 г. —с.37.

А24. Optical study of HgCdTe based narrow-gap heterostructures / V.I.Gavrilenko, S.V.Morozov, V.V.Rumyantsev , M.S.Zholudev , A.V.Antonov, A.A.Dubinov, K.V.Maremyanin, K.E.Kudryavtsev, L.V.Krasilnikova, V.Ya.Aleshkin, N.N. Mihailov, S.A. Dvoretckiy // Proc. 21st Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology. — St.Petersburg, June 24-28, 2013. — c.252-253. A25. Температурные исследования длинноволновой межзонной

фотолюминесценции и фотопроводимости в узкозонных эпитаксиалъных пленках Hgi.xCdxTe / В.В. Румянцев, C.B. Морозов, A.B. Антонов, С.М. Сергеев, A.M. Кадыков, Д.И. Курицын, В.И. Гавриленко, H.H. Михайлов,

C.А. Дворецкий // Материалы ХУШ Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». — Нижний Новгород, 10-14 марта 2014 г.

— с. 613-614

А26. Времяразрешенная ФЛ спектроскопия узкозонных эпитаксиальных пленок Hgi.xCdxTe и Hgi.xCdxTe/CdyHgi.yTe гетероструктур с квантовыми ямами в ТГц диапазоне / C.B. Морозов, В.В. Румянцев, A.B. Антонов, К.Е. Кудрявцев, С.М. Сергеев, Д.И. Курицын, A.A. Дубинов, С.А. Дворецкий, H.H. Михайлов, В.И. Гавриленко // Материалы XVIII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». — Нижний Новгород, 10-14 марта 2014 г. — с. 563 -564. А27. Исследования оптических свойств примесных центров в эпитаксиальных пленках Hg,.xCdxTe и Hg,.xCdxTe/CdyHgi.}Te гетероструктурах с квантовыми ямами / C.B. Морозов, A.B. Антонов, В.В. Румянцев, К.Е. Кудрявцев, С.М. Сергеев, A.M. Кадыков, Д.И. Курицын, С.А. Дворецкий, H.H. Михайлов, В.И. Гавриленко // Материалы XVIII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». — Нижний Новгород, 10-14 марта 2014 г. — с. 565 -566. А28. Long wavelength PL from HgCdTe nanostructures / V.I.Gavrilenko, S.V.Morozov, V.V.Rumyantsev, A.V.Antonov, A.A.Dubinov, K.E.Kudryavtsev, N.N. Mihailov, S.A. Dvoretckiy // Proc. 22nd Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology. — St.Petersburg, June 23-27, 2014. — c.64-65.

Румянцев Владимир Владимирович

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК И СТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ НА ОСНОВЕ Н8Сс1Те В СРЕДНЕМ И ДАЛЬНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ

Автореферат

Подписано к печати 23.10.2014 г. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе в Институте физики микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105