XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

В последнее время, гетероструктуры представляют собой большой научный интерес в области физики твердого тела и полупроводников. [1,6] На данный момент, полупроводниковые лазеры широко используются для различного класса задач. Наиболее распространёнными являются лазеры на основе арсенида галлия (GaAs). [2] Данный вид лазеров широко используются в бытовой технике, для измерительных целей и лазерной технологии. Лазеры на основе нитрида галлия (GaN) представляют собой повышенный интерес, ввиду их большей эффективности. [3] Они показывают большую ширину запрещенной зоны, большую теплопроводность, и устойчивость, по сравнению с приборами на основе арсенида галлия и являются одними из наиболее перспективных материалов для создания оптоэлектронных приборов.

Данная работа посвящена теоретическому исследованию влияния спектральных характеристик на многослойные гетероструктуры на основе нитрида галлия. (InGaN/AlGaN/GaN) Проводится исследование способов влияния на положение максимума спектра люминесценции исследуемых гетероструктур.

Основная часть

 В данной работе была выбрана гетероструктура на основе нитрида галлия и его твердых растворов (InGaN/AlGaN/GaN).

Представленная гетероструктура изображена на рис.1.

Рис.1 Многослойная гетероструктура InGaN/AlGaN/GaN.

За основу была взята модель спектра люминесценции светоизлучающих диодов группы Золиной. [4] Данная модель позволяет исследовать спектры люминесценции различных гетероструктур и учесть зависимость спектральных характеристик от различных параметров. Для расчетов была использована формула, взятая из работы [4]:

, (1)

Е_ф - энергия излученного фотона;

Е_g^eff–эффективная ширина запрещенной зоны.

Использую данную формулу, мы можем учесть зависимость интенсивности от различных параметров. Расчеты проводились для гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN, показанной на рис. 1. Для них использовались параметры гетероструктуры, экспериментально исследованной в работе [5]. В работе использовались следующие параметры:

E_g^eff = 2,278410^-19Дж– эффективная ширина запрещённой зоны

E₀= 87,2 10^-22 Дж – параметр экспоненты;

E_g^*= 4,5648 10^-19 Дж – ширина запрещённой зоны в активном слое

ΔF_n= -0,225610^-19 Дж – квазиуровень Ферми для электронов

ΔF_p = 3,00810^-20 Дж – квазиуровень Ферми для дырок

Далее приведены результаты расчета интенсивности излучения для вышеописанной структуры.

1

2

3

I

, м

Рис.2 График зависимости интенсивности I от длины волны  при различных значениях феноменологического параметра m. Параметры: Т=300 К, E_g^eff=2,278410^-19Дж, l=50 нм, n =1. Красная кривая: m=0,5, синяя кривая: m=0,7, зеленая кривая: m=0,8.

На рис.2 представлена зависимость интенсивности излучения от длины волны при различных значениях феноменологического параметра m. Согласно расчету, при изменении параметра m существенно меняется длина волны , соответствующая максимуму излучения и ширина максимума. При уменьшении параметра m длина волны максимума излучения смещается в сторону коротких длин волн, при этом ширина спектральной линии тоже уменьшается. Наиболее узкий максимум излучения наблюдается при m равным 0,5.

I

, м

1

2

3

Рис.3 График зависимости интенсивности I от длины волны λ и различных значениях абсолютных температур. Параметры: m=0,5,E_g^eff =2,278410^-19Дж, l=50 нм, n =1. Красная кривая: T=77 K, синяя кривая: Т=150 K, зеленая кривая: T=300 К.

На рис.3 представлена зависимость интенсивности излучения от длины волны при различных значениях абсолютных температур T гетероструктуры. Из рис.3. При увеличении абсолютной температуры Т от 77 К до 300 К мы наблюдаем увеличение ширины максимума излучения и его смещение в сторону коротких длин волн. При абсолютной температуре Т= 77 К максимум излучения наиболее узок.

Р

3

2

1

, м

I

ис.4 График зависимости интенсивности I от длины волны λ при различных значениях эффективной ширины запрещённой зоны. Параметры: m=0,5, T=300 К, l =50 нм, n =1. Красная кривая:E_g^eff =2,278410^-19Дж, синяя кривая:

E_g^eff =4,564810^-19 Дж, зеленая кривая: E_g^eff =5,164810^-19 Дж

На рис.4 представлена зависимость интенсивности излучения от длины волны при различных значениях эффективной ширины запрещённой зоны E_g^eff. Как видно из рис.4. ширина запрещенной зоны существенно влияет на длину волны. С увеличением эффективной ширины запрещённой зоны E_g^eff от 3,964810^-19 Дж до 5,164810^-19 Дж максимум интенсивности сдвигается в сторону коротких длин волн, причем длина волны , соответствующая максимуму излучения, изменяется от 4 мкм до 5,5 мкм. Также из рисунка 4 видно, что с увеличением эффективной ширины запрещённой зоны ширина спектрального максимума излучения уменьшается.

Заключение

Таким образом, были рассмотрены многослойные гетероструктуры на основе InGaN/AlGaN/GaN. Рассмотрено влияние спектральных характеристик на гетероструктуру при различных параметрах m, E_g^eff, T. В результате расчетов было выявлено, что на положение максимума существенно влияет ширина запрещенной зоны E_g^eff. Зная о зависимости ширины запрещенной зоны E_g^eff, толщины активного слоя и концентрации примесей, а также зависимости максимума излучения от длины волны λ, мы можем сделать вывод о теоретической возможности создания полупроводниковых гетероструктур, излучающих свет в нужном диапазоне.

Список источников

Гаврикова Татьяна Андреевна, Фирсов Дмитрий Анатольевич, Зыков Валерий Андреевич Актуальные направления физики полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектроники (по материалам XVIII Всероссийской молодежной конференции) // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2017. –№2. –С. 123-132.

Карпович, И.А. Квантово-размерные гетеронаноструктуры на основе GaAs [Текст] / И.А. Карпович // Труды 1-ого совещания по проекту НАТО Sfp - 973799 Semiconductors. – Нижний Новгород.– 2001.– C. 48–62.

Кудряшов,В.Е.,Мамакин,С.С.,Туркин,А.Н.,Юнович,А.Э.,Ковалев,А.Н.,Маняхин, Ф.И.Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами на основе гетероструктуриз GaN – зависимость от тока и напряжения [Текст] / В.Е. Кудряшов,С.С. Мамакин, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин.// Физика и техника полупроводников.– 2001. –№7.–Т. 35. – С. 861-868.

Золина, К.Г., Кудряшов, В.Е., Туркин, А.Н., Юнович, А.Э.Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктурInGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами[Текст] / К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович // Физика и техника.

Адамова А.А., Баранова М.С., Храмов В.Н. Зависимость спектральных характеристик полупроводниковых и твердотельных лазеров видимого диапазона от температуры активной среды // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. –№3. –С. 356-362.

Французова В.В. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ: ЭВОЛЮЦИЯ ОТ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ ДО ЛАЗЕРОВ НА КВАНТОВЫХ ЯМАХ // Материалы XI Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». ÛRL: https://scienceforum.ru/2019/article/2018012866 (дата обращения: 24.12.2019).

Код для цитирования: Скопировать