Оптические переходы в длинноволновых светодиодных гетероструктурах на основе InAsSb

Ружевич М.С., Семакова А.А., Мынбаев К.Д., Баженов Н.Л.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Ружевич М.С., Семакова А.А., Мынбаев К.Д., Баженов Н.Л. Оптические переходы в длинноволновых светодиодных гетероструктурах на основе InAsSb // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 7. С. 15–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-07-15-25

Ruzhevich M.S., Semakova A.A., Mynbaev K.D., Bazhenov N.L. Optical transitions in long-wavelength light-emitting diode heterostructures based on InAsSb [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 7. P. 15–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-07-15-25

Ссылка на англоязычную версию:

Maxim S. Ruzhevich, Antonina A. Semakova, Karim D. Mynbaev, and Nikolay L. Bazhenov, "Optical transitions in long-wavelength light-emitting diode heterostructures based on InAsSb," Journal of Optical Technology . 90(7), 362-368 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000362

Аннотация:

Предмет исследования. Светодиодная гетероструктура n-InAs/InAs1–ySby/p-InAsSbP с мольной долей антимонида индия (y = 0,15), предназначенная для работы в длинноволновой области среднего инфракрасного диапазона спектра (длина волны более 4 мкм), и эпитаксиальные пленки n+-InAs/InAs1–ySby ( y = 0–0,16). Цель работы. Определение природы оптических переходов в длинноволновых светодиодных гетероструктурах на основе InAsSb для расширения диапазона работы излучателей на их основе в спектральную область длин волн более 4 мкм; снижение температурной зависимости длины волны излучения гетероструктур. Метод. Исследуемые гетероструктуры выращены методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, светодиодный чип сформирован методами стандартной фотолитографии и химического травления. Оптические свойства полученных структур изучены методами фото- и электролюминесценции, химический состав пленок — методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии на сканирующем электронном микроскопе, структурные свойства пленок — методом рентгеновской дифрактометрии. Основные результаты. Показано, что структурные и оптические свойства эпитаксиальных пленок InAs1–ySby в существенной степени определяются содержанием антимонида индия в тройном твердом растворе. Показано существенное влияние излучательных переходов с участием интерфейсных состояний на гетерогранице пленка–подложка, а также непрямых рекомбинационных переходов на ступенчатом гетеропереходе II типа InAsSb/InAsSbP в светодиодной гетероструктуре n-InAs/InAs0,85Sb0,15/p-InAsSbP при температурах ниже 150 K
на оптические свойства структур. Показано, что изменение основного канала излучательной рекомбинации структур позволяет снизить влияние температуры на длину волны их излучения. Практическая значимость. Выявленный эффект изменения основного канала излучательной рекомбинации с изменением температуры демонстрирует перспективы изготовления температурно-стабильных светодиодов среднего инфракрасного диапазона спектра.

Ключевые слова:

арсенид индия, антимониды, гетероструктуры, люминесценция

Благодарность:

Авторы выражают благодарность В.В. Романову, К.Д. Моисееву, С.С. Кижаеву, А.В. Черняеву и Н.Д. Стоянову за предоставление структур для исследований, А.М. Смирнову — за проведение исследований методом рентгеновской дифракции и М.В. Дорогову — за проведение исследований методом сканирующей электронной микроскопии.

Коды OCIS: 250.5230, 260.3060, 260.3800

Список источников:

1. Hodgkinson J., Tatam R.P. Optical gas sensing: A review // Measurement Sci. and Technol. 2013. V. 24. № 1. Р. 012004. http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/24/1/012004
2. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А. и др. Диодные оптопары на основе InAsSb для сенсоров углекислого газа, работающих в режиме реального времени // ЖТФ. 2018. T. 88. Вып. 9. С. 1433–1438. https://doi.org/10.21883/JTF.2018.09.46433.35-18
3. Rogalski A., Martyniuk P., Kopytko M., et al. InAsSbbased infrared photodetectors: Thirty years later on // Sensors. 2020. V. 20. № 24. Р. 7047. https://doi.org/10.3390/s20247047
4. Ongstad A.P., Kaspi R., Dente G.C., et al. Wavelength tuning limitations in optically pumped type-II antimonide lasers // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. № 14. Р. 141106. https://doi.org/10.1063/1.2904702
5. Семакова А.А., Романов В.В., Баженов Н.Л. и др. Подавление температурной зависимости длины волны излучения в светодиодных структурах со ступенчатым гетеропереходом II типа InAsSb/InAsSbP // Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55. № 3. С. 277–281. https://doi.org/10.21883/FTP.2021.03.50607.9549
6. Романов В.В., Иванов Э.В., Моисеев К.Д. Узкозонные гетероструктуры InAs1–ySby/InAsSbP (y = 0.09–0.16) для спектрального диапазона 4–6 μm,
полученные методом МОГФЭ // ФТТ. 2019. Т. 61. Вып. 10. С. 1746–1752. https://doi.org/10.21883/FTT.2019.10.48244.483

7. Sopanen M., Koljonen T., Lipsanen H., et al. Growth of GaInAsSb using tertiarybutylarsine as arsenic source // J. Crystal Growth. 1994. V. 145. № 1–2. P. 492–497. https://doi.org/10.1016/0022-0248(94)91097-9
8. Landolt-Börnstein Numerical Data. Ser. III. Handbook. V. 17a / ed. by Madelung O. Berlin–Heidelberg: Springer, 1982.
9. Varshni Y.P. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors // Physica. 1967. V. 34. № 1. P. 149–154. https://doi.org/10.1016/0031-8914(67)90062-6
10. van Vechten J.A., Bergstresser T.K. Electronic structures of semiconductor alloys // Phys. Rev. B. 1970. V. 1. № 8. P. 3351–3357. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.1.3351
11. Mynbaev K.D., Bazhenov N.L., Semakova A.A., et al. Spontaneous and stimulated emission in InAsSbbased LED heterostructures // Infrared Phys. and
Technol. 2017. V. 85. P. 246–250. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2017.07.003
12. Taghipour Z., Rogers V., Ringel B., et al. Photoluminescence spectroscopy of metamorphic InAsSb on GaAs and Si // J. Luminescence. 2020. V. 228. Р. 117581. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117581
13. Tong J.C., Xie Y.Y., Ni P.N., et al. InAs0.91Sb0.09 photoconductor for near and middle infrared photodetection // Physica Scripta. 2016. V. 91. № 11. Р. 115801. https://doi.org/10.1088/0031-8949/91/11/115801
14. Webster P.T., Riordan N.A., Liu S., et al. Measurement of InAsSb bandgap energy and InAs/InAsSb band edge positions using spectroscopic ellipsometry and photoluminescence spectroscopy // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. № 24. Р. 245706. https://doi.org/10.1063/1.4939293
15. Svensson S.P., Sarney W.L., Hier H., et al. Band gap of InAs1–xSbx with native lattice constant // Phys. Rev. B. 2012. V. 86. № 24. Р. 245205. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.245205
16. Fisher M., Krier A. Photoluminescence of epitaxial InAs produced by different growth methods // Infrared Phys. and Technol. 1997. V. 38. № 7. P. 405–413. https://doi.org/10.1016/S1350-4495(97)00032-7
17. Lacroix Y., Tran C.A., Watkins S.P., et al. Lowtemperature photoluminescence of epitaxial InAs // J. Appl. Phys. 1996. V. 80. P. 6416–6424. https://doi.org/10.1063/1.363660

18. Есина Н.П., Зотова Н.В. Механизмы рекомбинации избыточных носителей тока в арсениде индия и твердых растворах на его основе // Физика и техника полупроводников. 1980. Т. 14. Вып. 2. С. 316–322.
19. Баженов Н.Л., Мынбаев К.Д., Семакова А.А. и др. Время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках с близкими значениями запрещенной зоны и спин-орбитального отщепления // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. Вып. 4. С. 450–455. https://doi.org/10.21883/FTP.2019.04.47437.9004
20. Григорьев М.М., Иванов Э.В., Моисеев К.Д. Интерфейсная электролюминесценция в изотипном гетеропереходе II типа InAs/InAsSbP при комнатной температуре // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45. Вып. 10. С. 1386–1391.
21. Mao Y., Krier A. Uncooled 4.2 μm light emitting diodes based on InAs0.91Sb0.09/GaSb grown by LPE // Opt. Mater. 1996. V. 6. № 1–2. P. 55–61. https://doi.org/10.1016/0925-3467(96)00011-0
22. Steenbergen E.H., Massengale J.A., Ariyawans G., et al. Evidence of carrier localization in photoluminescence spectroscopy studies of mid-wavelength
infrared InAs/InAs1–xSbx type-II superlattices // J. Luminescence. 2016. V. 178. P. 451–456. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.06.020.
23. Smołka T., Motyka M., Romanov V.V., et al. Photoluminescence spectroscopy of the InAsSb-based p-i-n heterostructure // Mater. 2022. V. 15. № 4. Р. 1419. https://doi.org/10.3390/ma15041419
24. Yen Y.M., People R., Wecht K.W. Long wavelength (3–5 and 8–12 μm) photoluminescence of InAs1–xSbx grown on (100) GaAs by molecular-beam epitaxy // J. Appl. Phys. 1988. V. 64. № 2. P. 952–954. https://doi.org/10.1063/1.341904