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