Межзонная фотолюминесценция и стимулированное излучение

Межзонная
фотолюминесценция и
стимулированное
излучение в узкозонных
полупроводниках
Кадыков А.М.
Семинар аспирантов и студентов
21 мая 2015 г.
План доклада
• Мотивация
• Лазеры на основе Pb1-xSnxTe и Pb1-xSnxSe
• Лазеры на основе HgCdTe
Применение источников среднего
и дальнего ИК диапазонов
• Спектроскопия газов (вращательные и
колебательные переходы многих молекул)
• Диагностика в медицине
• Сканеры, замена рентгена
• Передача информации
Лазеры в среднем и дальнем ИК
диапазонах
Структуры на основе Pb1-xSnxTe
и Pb1-xSnxSe
X инверсии
4.2K
77K
Pb1-xSnxTe
0.34
0.40
Pb1-xSnxSe
0.15
0.19
Стимулированное излучение в
халькогенидах
За счёт симметрии зон
Оже рекомбинация
подавлена
Лазеры на основе Pb1-xSnxTe
и Pb1-xSnxSe от И.И.Засавицкого
Heatsink module
4х5х8 mm
Typical size of laser chip
2x1x0.1 mm
Спектры лазерной генерации
Laser Emission
20
from 38 ...to...__________________10 m
15
4n
1144
63n
1156
1157
1159
10
5
0
200
300
400
500
600
700
800
Wavenumber, cm
900 1000 1100
-1
Лазеры в среднем и дальнем ИК
диапазонах
Особенности лазеров на основе
Pb1-xSnxTe и Pb1-xSnxSe
•
•
•
•
•
•
•
•
Длина волны до 46.2 мкм
Перестройка от температуры
Подавленная Оже-рекомбинация
Сложность изготовления качественных
гетероструктур
Высокая концентрация остаточных примесей ~1018 и
как следствие быстрая плазмонная рекомбинация
Малая мощность
Низкие температуры
Деградация
GaAs
Reststrahlen band CdHgTe
Лазеры в среднем и дальнем ИК
диапазонах
HgTe
CdTe
The range where sources based
on MCT structures may be used
Особенности зонной структуры
HgCdTe
Преимущества КРТ
• Варьирование ширины запрещённой зоны в
диапазоне 0 – 1.6 эВ
• Температурная перестройка
• Освоенная технология роста (MBE), в том числе
и гетероструктур
• Низкая темновая концентрация носителей в
нелегированных структурах ~1014 см-3
13 μm
13 μm
PC signal, arb. units
26 m
16 m 14 m 11 m
1.0
1.0
0.5
T = 18K
0.0
1
PL signal, arb. units
PL signal, arb. units
Фотолюминесценция в структурах
на основе HgCdTe
18 K
70 K
140 K
200 K
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
800
1000
1200
1400
-1
Wavenumber, cm
1600
S.V.Morozov et al., Appl. Phys. Lett., 104, 072102 (2014)
0.1
200
T = 4.2K
400
600
800
-1
Wavenumber, cm
120208 (x = 0.192)
120613 (x = 0.22)
1000
1200
120626 (x = 0.21)
120621 (x = 0.23)
Appl. Phys. Lett., 104, 072102 (2014)
Temperature, K
FWHM, kBT
FWHM, meV
18 K
4
6.2
70 K
2.2
13.4
140 K
2.3
27.3
200 K
1.6
27
Стимулированное излучение в
КРТ
Стимулированное излучение в
структурах на основе HgCdTe
1993 г.
Локализация излучения в
объёмной структуре HgCdTe
Hg
Распределение состава образца КРТ 120613 по толщине
1,1
Cd
0.48
Te
Hg
ZnTe
0.78
Cd
0.22
amplitude , a.u.
MBE growth scheme
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
600
CdTe
GaAs
3
CdTe
air
2
400
200
1
TE mode
0
0,2
0
1
2
3
Толщина, мкм
4
5
Distance from CdTe buffer layer, μm
6
0
-2
0
2
4
6
m
8
А. Дубинов
10 12 14
refractive index
0,9
4
Te
800
1
XCdTe
0.52
350
P4
Стимулированное излучение в
P
объёмной структуре HgCdTe
Intensity, arb.un.
FWHM, cm-1
300
10-3
2
250
P3
4
GaAs substrate
Amplitude, arb. un.
1212
15
150
-3
15
-3
1×10
1×10 cm
cm
1010
17
-3
17
-3
1×10
1×10 cm
cm
8 8
17
-3
18
-3
P1
100CdTe
CdTe
3
1012
2
1×10 18cm -3
1×10 cm
4 4
18
-3
2×10 18cm -3
2×10 cm
air
2 2
0 0
1013
1
1000
-10
2000
-5
10-4
1014
1015
1016
Photon quantity in pulse
17
-3
5×10
5×10 cm
cm
6 6
Real part of refractive index
Hg0.78Cd0.22200
Te
14
3000
4000
0
5
10
Wavenumber,
cm-1
z, m
5000
P1
<
P2
<
P3
<
P4
15
Направлена в Appl. Phys. Lett.
Стимулированное излучение в
волноводных гетероструктурах
(длина волны ~4.5 мкм)
FWHM, cm-1
20
1.6
Распределение состава образца 1КРТ141226 по
толщине
60
141226, 18K,
45 degree set,
1.0 mkm
80
100
1
1.4
1
full
0,9
0,7
0,6
0,5
1.0
full/2.3
0.8
full/5.3
0.6
0,4
0.1
full/17.5
0.4
x10
0,3
0.2
0,2
0
0,2
0,4
0,6
Толщина, мкм
0,8
1
full/33.2
x20
1,2
0.0
1800
2000
2200
2400
Wavevector, cm-1
0.01
0.1
PL intensity, arb.un.
Power, arb.un.
PL signal
1.2
0,8
XCdTe
40
141227
lateral face set,
1.0 mkm
Распределение состава образца 1КРТ141227 по толщине
1
0.25
0,9
0,8
80K
0.20
PL signal
XCdTe
Стимулированное излучение в
волноводных гетероструктурах
(длина волны ~4.5 мкм)
0,7
0,6
0,5
0,4
0.15
18K
120K
0.10
0,3
0,2
0
0,5
1
1,5
2
0.05
2,5
Толщина, мкм
0.00
2000
2500
3000
Wavevector, cm-1
3500
Стимулированное излучение в
волноводных гетероструктурах
Распределение состава образца 1КРТ150120qw по толщине
0,7
0,6
0,5
XCdTe
0,4
0,3
0,2
0,1
0
700
750
800
850
900
950
толщина, нм
1000
1050
1100
1150
1200
Стимулированное излучение в
волноводных гетероструктурах
(длина волны ~8,9 мкм)
0
0.45
150120, 18K
45 degree set,
2.0 mkm
0.45
0.40
150120, 80K,
45 degree set,
2.0 mkm
FWHM, cm-1
100
200
1.0
0.40
0.35
0.30
0.25
full
0.30
0.25
0.20
0.20
0.15
0.15
0.10
0.10
full/18.1
0.05
0.00
500
x20
0.8
full
0.6
full/1.6
full/2.1
x2
full/3.5
x20
full/4.5
x50
0.4
0.05
Стимулированное
0.2
0.00
0.1
750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 1E-3 0.01
излучение
вплоть
до
1000
1500
2000
2500
PL intensity, arb.un.
Wavevector, cm
Wavevector, cm
8.9 мкм
-1
-1
Power, arb.un.
PL signal
PL signal
0.35
Варизонные барьеры
способствуют
снижению порога
Дизайн структур с варизонными
барьерами
1.0
1.0
Wavelength = 10 mkm
x_Cd = 0.17
QW 10 nm x4
0.9
0.8
0.9
0.8
0.7
0.6
750 nm
waveguide
0.5
0.4
750 nm
waveguide
x_Cd
x_Cd
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
1000 nm
waveguide
2000 nm
waveguide
0.0
10000 10250 10500 10750 11000 11250 11500
10000 10500 11000 11500 12000 12500 13000
Distance from substrate, nm
1.0
Distance from substrate, nm
1.0
Wavelength = 20 mkm,
x_Cd = 0.12
QW 10 nm x4
0.9
0.8
0.9
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
2500 nm
waveguide
0.4
3500 nm
waveguide
x_Cd
x_Cd
Wavelength = 15 mkm,
x_Cd = 0.135
QW 10 nm x4
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
Wavelength = 25 mkm,
x_Cd = 0.11
QW 10 nm x4
3000 nm
waveguide
4000 nm
waveguide
0.0
9000
10000
11000 12000 13000
14000 15000
Distance from substrate, nm
10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000
Distance from substrate, nm
А. Дубинов
Дизайн структур с варизонными
барьерами
CdxHg1-xTe (0.75 m)
 = 10 m
1
Air
2
TE0
refractive
index
CdxHg1-xTe (1 m)
CdxHg1-xTe (2 m)
2
GaAs
3
CdTe (10 m)
1
 = 15 m
Air
2
TE0
refractive
index
1
0.0
2.5
5.0
7.5
Amplitude (a.u.)
Coordinate (m)
CdHgTe QWs
CdxHg1-xTe (3.5 m)
3
CdxHg1-xTe (2.5 m)
3
 = 20 m
2
TE0
refractive
index
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0 12.5 15.0
Coordinate (m)
GaAs
2
1
-2.5
4
CdTe (9 m)
Air
0
-5.0
10.0 12.5 15.0
Amplitude (a.u.)
-2.5
1
Refractive index
0
-5.0
CdxHg1-xTe (4 m) CdHgTe QWs
3
CdxHg1-xTe (3 m)
4
GaAs
3
CdTe (10 m)
2
 = 25 m
1
Coordinate (m)
2
TE0
refractive index
Air
1
0
-5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0
Refractive index
3
GaAs
4
CdHgTe QWs
Refractive index
CdTe (10 m)
Amplitude (a.u.)
Amplitude (a.u.)
2
3
Refractive index
4
CdHgTe QWs
1
0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
Coordinate (m)
20.0
25.0
А. Дубинов
Экспериментальный дизайн
волновода на 34 мкм
4
CdHgTe QWs
CdxHg1-xTe (1.5 m)
CdxHg1-xTe (1.5 m)
CdTe (5 m)
CdTe (5 m)
3
3
2
1
2
 = 34.5 m
Air
GaAs
TE0
refractive index
0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
Refractive index
Amplitude (a.u.)
4
1
20.0
Coordinate (m)
А. Дубинов
Спасибо за внимание!
• Рекомбинация Шокли-Рида-Холла
Время жизни ограничено снизу!
• Излучательная рекомбинация
Время жизни увеличивается с уменьшением Eg
• Оже-рекомбинация
Время жизни уменьшается с уменьшением Eg
Фотолюминесценция. Плазмоны
Симметричность зон уменьшает
вклад Оже-рекомбинации
Междолинная Оже рекомбинация
Pb1-xSnxTe
Pb1-xSnxSe
Энергия плазмона зависит от
концентрации в виде
≈ 50 мэВ
Плазмонная рекомбинация лимитирует
создание длинноволновых лазеров !
≈ 25 мкм для n, p ≈ 1018 cm-3
32/21