"Терагерцовая электролюминесценция в легированных квантовых ямах" (промежуточный отчет, 1-ый этап)

Данный проект посвящен обнаружению и исследованию терагерцового излучения, связанного с примесными переходами электронов в наноструктурах с квантовыми ямами в условиях токовой инжекции неравновесных носителей заряда. В рамках первого этапа проекта, во-первых, была проверена сама идея о возможности увеличить эффективность эмиссии терагерцового излучения, связанного с примесными переходами в квантовых ямах n-GaAs/AlGaAs при пространственном разделении доноров и компенсирующих их акцепторов. Получены экспериментальные спектры фотолюминесценции ближнего инфракрасного спектрального диапазона для выращенных наноструктур двух типов легирования при различных температурах решетки и мощностях накачки и определены основные оптические переходы, дающие вклад в спектры фотолюминесценции. Установлено, что в структурах с квантовыми ямами n-GaAs/AlGaAs, в которых компенсирующая акцепторная примесь вводилась в барьерные слои, фотолюминесценция ближнего ИК-диапазона определяется тремя основными каналами: рекомбинация свободных экситонов, рекомбинация экситонов, связанных на доноре, и излучательные переходы электронов в первую подзону размерного квантования тяжелых дырок (hh1) с основного уровня доноров (D1s). В структурах квантовыми ямами n-GaAs/AlGaAs, в которых компенсация проводилась непосредственно в квантовых ямах, в дополнение к трем перечисленным выявлены еще два канала интенсивной фотолюминесценции: рекомбинация экситонов, связанных на акцепторах, а также излучательные переходы электронов из первой подзоны размерного квантования в зоне проводимости (e1) на основной уровень акцепторов (A1s). Определены зависимости интенсивности основных линий фотолюминесценции ближнего ИК диапазона от уровня оптической накачки. Установлено, что в структуре, где компенсация проводилась путем акцепторного легирования барьеров, линия излучения D1s-hh1 имеет в значительно большую интенсивность, чем суммарная интенсивность линий D1s-hh1 и D1s-A1s в структуре, где компенсация производилась в квантовой яме. Таким образом, компенсация в барьере обеспечивает значительное увеличение скорости опустошения основного донорного уровня D1s. Это способствует увеличению эффективности генерации терагерцового излучения на переходах e1-D1s. Прямые измерения спектров фотолюминесценции в терагерцовом диапазоне подтвердили этот тезис. В обеих исследованных структурах при оптической накачке наблюдалась эмиссия терагерцового излучения в полосе энергий фотонов от 6 до 22 мэВ (частоты от 1.5 до 5.3 ТГц), которая связана с излучательными переходами неравновесных электронов e1-D1s, а также с внутрицентровыми переходами с возбуждённого уровня донора на основной (D2p-D1s). Исследование зависимости интегральной интенсивности терагерцовом фотолюминесценции от уровня накачки показало, что в структурах с квантовыми ямами n-GaAs/AlGaAs, в которых компенсирующая акцепторная примесь вводилась в барьеры, имеется примерно двукратный выигрыш в интенсивности терагерцового излучения по сравнению с референсной структурой. При температурах выше 40 К наблюдалось гашение терагерцовой фотолюминесценции (в обеих структурах). Второе направление работ в рамках первого этапа проекта посвящено разработке, изготовлению и предварительным исследованиям p-i-n диодных структур, предназначенных для эмиссии терагерцового излучения при электрической накачке. Разработаны и выращены p-i-n диодные наноструктуры с множественными легированными квантовыми ямами n-GaAs/AlGaAs с компенсацией примеси. Были выращены диодные структуры с квантовыми ямами n-GaAs/AlGaAs двух типов: с компенсацией акцепторами в барьерах, а также с компенсацией непосредственно в квантовых ямах. В результате проведения постростовых операций были изготовлены образцы, пригодные для исследования вольтамперных характеристик и терагерцовой электролюминесценции. Исследованы вольтамперные характеристики диодных структур обоих типов при температурах 4.2 – 300 К. Наноструктуры демонстрируют ВАХ, типичные для p-i-n диодов, и обеспечивают эффективную инжекцию неравновесных носителей заряда при прямом смещении. Определены параметры импульсного возбуждения наноструктур электрическим током, позволяющие достичь уровней возбуждения неравновесных носителей заряда, на порядки превышающих уровень, допустимый при оптической накачке в cw-режиме.