Исследование динамики неравновесных носителей в узкозонных гетероструктурах с квантовыми ямами на основе HgCdTe для лазеров среднего ИК диапазона

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-72-10111

НазваниеИсследование динамики неравновесных носителей в узкозонных гетероструктурах с квантовыми ямами на основе HgCdTe для лазеров среднего ИК диапазона

Руководитель Жолудев Максим Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова HgCdTe, квантовые ямы, разогрев носителей заряда, стимулированное излучение, длинноволновые межзонные лазеры, релаксация носителей

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект направлен на изучение особенностей внутризонной и межзонной релаксации неравновесных носителей заряда в гетероструктурах на основе HgCdTe в условиях интенсивной оптической накачки. В рамках проекта будет разработана единая расчетная модель, позволяющая анализировать динамику носителей в лазерных гетероструктурах с КЯ HgCdTe/CdHgTe с учетом процессов рассеяния носителей заряда на оптических и акустических фононах, спонтанного поглощения и испускания фотонов, а также процессов стимулированного излучения, межзонной рекомбинации с испусканием оптических фононов, дефектно-примесной рекомбинации по механизму Шокли-Рида и оже-рекомбинации. Это позволит впервые провести микроскопические расчёты динамики функции распределения носителей в рассматриваемых КЯ HgCdTe/CdHgTe на этапе их внутризонной релаксации и получить детальную информации о распределении и кинетике неравновесных носителей в зависимости от конкретного дизайна структур и режимов их накачки. Научная новизна проекта обусловлена согласованным характером исследований внутризонных (разогрев-остывание носителей) и межзонных (генерация-рекомбинация) процессов, которые в узкозонных материалах и в условиях мощной накачки оказываются неразрывно связанными, в первую очередь за счет высоких темпов безызлучательных оже-процессов, приводящих не только к потере носителей в активной области структуры, но и к более сильному разогреву электронного газа в дополнение к прямому разогреву за счет (высокоэнергетичных) фотонов накачки. В этих условиях можно ожидать не только типичного для полупроводниковых лазеров отличия квазиравновесной температуры электронов и дырок от температуры кристаллической решётки, но также и существенного отклонения установившейся функции распределения носителей от распределений Больцмана и Ферми-Дирака. Изучение и подробный анализ процессов разогрева и термализации избыточных носителей в КЯ HgCdTe/CdHgTe на микроскопическом уровне, вне рамок приближения "эффективной температуры" и с минимальным числом априорных предположений о характере распределения частиц, может сыграть заметную роль в разработке новых дизайнов лазерных гетероструктур с КЯ HgCdTe/CdHgTe, реализующих оптимальные режимы накачки для получения генерации на целевых длинах волн в среднем и дальнем ИК диапазонах при максимально достижимых температурах. Актуальность задач проекта обусловлена перспективами реализации практически значимых излучателей среднего ИК диапазона на основе HgCdTe. На протяжении последних лет коллектив авторов проекта из ИФМ РАН (в сотрудничестве с технологической группой Н.Н. Михайлова, ИФП СО РАН) значительно продвинулся в развитии "лазерного" направления на основе гетероструктур HgTe/CdHgTe с точки зрения достижимых длин волн генерации и рабочих температур. Так, недавние эксперименты продемонстрировали стимулированное излучение из КЯ HgTe/CdHgTe на длинах волн до 31 мкм, в то время как стимулированное излучение на длинах волн вблизи 10 мкм демонстрировалось при температурах на уровне 170-200K (см. пп. 4.2 и 4.7 данной заявки), что уже близко к температурам, реализуемым при термоэлектрическом (Пельтье) охлаждении. Успешное решение задач проекта позволит качественно улучшить описание динамики неравновесных носителей в изучаемых КЯ в условиях высокой по уровню возбуждения накачки. Таким образом, на новом уровне понимания удастся провести оптимизацию изучаемых лазерных структур, включающую в себя не только инженерию электронных состояний для минимизации темпа пороговых оже-процессов, но и "подстройку" режимов накачки таких структур. В этом случае можно ожидать, что по крайней мере окно прозрачности атмосферы в диапазоне 3-5 мкм и 8 -12 мкм удастся полностью перекрыть перестрагиваемыми температурой лазерами на основе гетероструктур с КЯ HgCdTe/CdHgTe с Пельтье-охлаждением, и в ряде нишевых приложений, связанных, например, со спектроскопией газов, мониторингом окружающей среды и медицинской диагностикой, лазеры среднего ИК диапазона на этой основе могли бы стать доступной альтернативой более сложным в технологическом плане и слабо перестраиваемым квантовым каскадным лазерам. Наконец, необходимо отметить, что поставленные в проекте задачи исследования внутризонной и межзонной динамики носителей в HgCdTe-структурах являются в полной мере решаемыми. Для каждой из подзадач, определяющих общую направленность теоретических работ в данном проекте, существуют хорошо отработанные и эффективные методы решения. Так, разработанная методика расчёта зонной структуры объёмных плёнок CdHgTe и КЯ HgCdTe/CdHgTe в рамках приближения огибающий функций активно применяется в том числе и в нашей исследовательской группе в ИФМ РАН; это же можно сказать и о расчётах примесных состояний, включая резонансные состояния. Предлагаемые к использованию техники моделирования динамики носителей в полупроводниковых устройствах с помощью различных разновидностей метода Монте-Карло совершенствуются уже более трёх десятилетий, и вопросы устойчивости и сходимости таких методов подробно исследованы. Вычисление вероятностей электрон-фононного, электрон-фотонного и электрон-электронного взаимодействия может быть проведено с помощью золотого правила Ферми по стандартной схеме, подробно описанной в литературе. Для апробации развиваемых моделей и подбора расчетных параметров (констант взаимодействия) планируется вычисление, на основании микроскопических расчетов, наблюдаемых «интегральных» параметров системы (таких как кинетика фотопроводимости и спектры эмиссии) и сопоставление этих данных с результатами соответствующих установочных экспериментов. Подтверждаемый имеющимися публикациями опыт авторов проекта в области теоретических исследований узкозонных полупроводников, наряду с хорошо отработанными экспериментальными методиками и современным аналитическим оборудованием в ИФМ РАН, а также доступом к получению необходимых высококачественных эпитаксиальных гетероструктур HgTe/CdHgTe в ИФП СО РАН, создают предпосылки для успешного выполнения всех заявленных в проекте задач.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На последнем этапе выполнения проекта разработана методика вычисления вероятностей примесного рассеяния и захвата носителей на локализованные и квазилокализованные уровни примесно-дефектных центров в CdHgTe-гетероструктурах. В основе данного подхода лежит расчёт энергий и волновых функций локализованных состояний и состояний континуума вблизи примесно-дефектных центров в рамках четырёхзонной модели Кейна, обеспечивающий высокую точность вычислений в широком диапазоне энергий. Это позволило корректно учесть не только дискретные уровни примеси в запрещённой зоне материала, но также и резонансные состояния в зоне проводимости и валентной зоне квантовых ям (КЯ) HgCdTe/CdHgTe (включая высокие подзоны размерного квантования). В качестве потенциала примесей используется комбинация дальнодействующего кулоновского потенциала и экранированного кулоновского потенциала центральной ячейки. Подобные расчеты были проведены для серии объёмных плёнок CdHgTe различного состава (от чистого HgTe до чистого CdTe) и КЯ HgCdTe/CdHgTe различных дизайнов (перспективных для реализации лазерной генерации на различных целевых длинах волн). В случае КЯ расчёты проведены для различных положений примеси, от центра КЯ до позиций внутри барьерных слоев. Рассматривались как однозарядные доноры, так и одно- и двухзарядные акцепторы - в частности, примесь мышьяка, формирующего при встраивании в подрешетку Te однозарядный акцептор, интересную с точки зрения создания в CdHgTe-структурах p-n перехода, и вакансии ртути - двухзарядный акцептор. Далее, развитая на предыдущих этапах модель расчёта кинетики носителей в CdHgTe-структурах была дополнена учётом механизмов примесного рассеяния, захвата носителей на локализованные уровни (включая переходы между этими уровнями, каскадный захват), ионизации примесей (в том числе термическая), рекомбинация Шокли-Рида-Холла (ШРХ), а также наличия резонансных (квазилокализованных) примесных состояний. Сечения захвата носителей на примесные уровни и вероятности примесного рассеяния рассчитывались с использованием золотого правила Ферми. Разработанная методика позволила моделировать процессы межзонной релаксации электрон-дырочного газа как в нелегированных, так и в легированных HgCdTe-гетероструктурах в широком диапазоне температур и при различных режимах накачки. Для апробации расчетной модели экспериментально изучена кинетика межзонной фотопроводимости (ФП) узкозонных HgCdTe-структур, излучающих на длинах волн от 12-16 мкм и более. Изучались как непроцессированные (as grown) структуры, показывающие фоновое легирование n-типа, так и подвергнутые отжигу, при котором формирование вакансий ртути приводит к конверсии проводимости в p-тип. Такая смена типа проводимости сопровождается резким снижением времен жизни неравновесных носителей (с десятков-сотен нс в n-HgCdTe до <5 нс в p-HgCdTe) как при T=4.2K, так и при T=77K. Сопоставление получаемых результатов с расчетными темпами излучательных и оже-процессов позволяет однозначно трактовать измеряемые времена спада ФП как времена ШРХ-рекомбинации. Установлено, что в рассматриваемых сверхузкозонных КЯ плотность дефектно-примесных центров может играть решающую роль в достижимости стимулированной эмиссии и определять пороги генерации. В то же время, в структурах, нацеленных на практически значимый диапазон 3-8 мкм, ШРХ-рекомбинация (при слоевых концентрациях примеси на уровне ~5e10 см-2 и менее) не играет заметной роли в контексте лазерной генерации, а достижимые выходные характеристики подобных структур определяются конкуренцией излучательных и оже-процессов, а также разогревными эффектами. Для объяснения полученных ранее экспериментальных результатов дополнен теоретический анализ оже-процессов в относительно широкозонных, диапазона 3-5 мкм, КЯ HgTe/CdHgTe. Показано, что наблюдавшаяся резонансная зависимость оже-коэффициента от температуры связана с совпадением ширины запрещённой зоны и энергии перехода дырок из основной валентной подзоны КЯ в высшую возбужденную подзону размерного квантования вблизи валентной зоны барьеров. Это создает условия для резонансной, беспороговой оже-рекомбинации ehh-типа, существенно более интенсивной, чем пороговый eeh-процесс, препятствующей достижению инверсии населённостей в подобных лазерных структурах. Нейтрализация этого эффекта путём инженерии структуры дырочных состояний в КЯ HgCdTe/CdHgTe открывает возможности для повышения рабочих температур разрабатываемых HgCdTe-лазеров среднего ИК диапазона. В КЯ HgTe/CdHgTe среднего ИК диапазона оценены, по результатам измерений спектров ФЛ при мощной накачке, скорости фононной релаксации горячих электронов. Показано, что при интенсивностях возбуждения на уровне до 1 кВт/см2 (поглощаемой мощности в единичной КЯ) электрон-фононная релаксация оказывается достаточной для того, чтобы отводить избыточную энергию и обеспечивать равновесие между электронной подсистемой и кристаллической решеткой, а сами величины разогрева не превышали 20-30K. В то же время, при увеличении мощности накачки до ~10 кВт/см2 температура электронного газа возрастала до ~800-1000K (при оценке разогрева решетки <100K). Средний темп релаксации энергии электронов составил ~100-120 мэВ/пс при накачке на уровне 8-12 кВт/см2, а среднее время жизни оптических фононов оценено на уровне ~0.5 пс. В рамках уравнений баланса числа частиц и энергии количественно объясняется экспериментально наблюдаемое в изучаемых КЯ гашение стимулированной эмиссии с ростом интенсивности накачки, получены оценки достижимых рабочих температур и порогов генерации HgCdTe-лазеров с оптической накачкой в зависимости от длины волны возбуждения. Таким образом, проведено комплексное численное моделирование динамики электрон-дырочного газа в гетероструктурах с КЯ HgCdTe/CdHgTe в условиях интенсивной накачки, необходимой для инверсии населённостей. Для КЯ различных дизайнов выявлены режимы, в которых преобладают разные межзонные процессы - ШРХ-рекомбинация, излучательная либо оже-рекомбинация. На основе проведенных расчётов и в сопоставлении с экспериментом предложены оптимальные дизайны лазерных гетероструктур с КЯ HgCdTe/CdHgTe и параметры оптической накачки, минимизирующие роль безызлучательных процессов при высоких неравновесных концентрациях, нацеленные на достижение возможно более низкопороговой и высокотемпературной лазерной генерации в среднем ИК диапазоне.

Публикации

1. Кудрявцев К.Е., Румянцев В.В., Дубинов А.А., Алёшкин В.Я., Жолудев М.С., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Гавриленко В.И., Морозов С.В. Hot phonon effect in mid-infrared HgTe/CdHgTe quantum wells evaluated by quasi-steady-state photoluminescence Applied Physics Letters, v. 125, p. 223505 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0239225

2. Жолудев М.С., Литовченко О.М., Морозов С.В. Tunnel hole injection in unipolar HgCdTe-based laser diode Semiconductor Science and Technology, v. 40, n. 3, p. 035001 (год публикации - 2025)
10.1088/1361-6641/ada9cc

3. Жолудев М.С., Кудрявцев К.Е., Морозов С.В. Резонансная оже-рекомбинация в квантовых ямах HgTe/CdHgTe для лазеров среднего инфракрасного диапазона Письма в Журнал технической физики (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Основным результатом проекта является формирование, путем развития необходимых расчетных моделей и методик, научного задела для дальнейшего развития перспективных лазерных структур среднего ИК диапазона. Характер проекта не предполагает прямого использования результатов в экономике и социальной сфере, однако опосредованно получаемые результаты могут быть важны как способствующие развитию HgCdTe-оптоэлектроники и оптимизации соответствующих приборных структур (не ограничиваясь лазерными) для решения широкого спектра прикладных задач.