WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Спектр стимулированного излучения, возникающего при межзонном поглощении пикосекундного импульса света в тонком слое GaAs © И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия (Получена 1 октября 1997 г. Принята к печати 10 октября 1997 г.) Экспериментально получено представление об изменениях интегрального по времени спектра мощного нестационарного краевого излучения в тонком слое GaAs при изменениях диаметра луча и энергии мощного пикосекундного импульса оптической накачки GaAs. Это дало необходимое подтверждение стимулированной природы такого излучения, длительность которого находится в пикосекундном диапазоне времен.

Известно (см., например, [1–4]), что при межзонном скорость фотогенерации носителей заряда и инверсная поглощении мощного сверхкороткого импульса света в заселенность состояний, а при изменении диаметра луча тонком слое прямозонного полупроводника аномально F должен изменяться диаметр активной области среды, быстро (за пикосекундные времена) возникает мощное усиливающей свет. Измеренные зависимости плотности рекомбинационное краевое излучение (далее называемое энергии излучения от диаметра F и плотности энерпросто излучением). Через время 10 пс после окон- гии возбуждения Dex не содержали в себе достаточно чания возбуждающего импульса излучение затухает, т. е. убедительного доказательства стимулированной природлительность импульса излучения находится в пикосе- ды излучения. Такое доказательство дало исследование кундном диапазоне времен. Предполагалось, что это из- спектра излучения. Было наблюдено одно из наиболучение — стимулированное, возникающее в результате лее характерных свойств стимулированного излучения усиления спонтанного излучения в фотовозбужденном в полупроводнике (см., например, [12–15]) — сужение полупроводнике. Это предположение основывалось на спектра излучения при усилении оптической накачки.

следующих признаках. Во-первых, характерное время Сужение спектра излучения происходит в процессе усирелаксации излучения существенно меньше времени ре- ления спонтанного излучения в полупроводнике. Мы лаксации спонтанного излучения в GaAs, составляюще- измерили спектры излучения при различных значениях го 1 нс. Во-вторых, излучение начинает наблюдаться, плотности энергии Dex возбуждающего импульса света и когда концентрация носителей заряда становится выше диаметра луча F. Поведение измеренных спектров качепороговой, а именно, когда µe - µh > Eg, [3] и в фото- ственно соответствовало изменениям спектров стациовозбуждаемой среде возникает спектр усиления света, нарного стимулированного излучения, которые следуют наблюдавшийся, например, в [5,6] (здесь µe и µh — из теории стационарного стимулированного излучения квазиуровни Ферми электронов и дырок, Eg — ширина в лазерной среде без резонатора [16] и из результатов запрещенной зоны). модельных расчетов стационарного стимулированного Надо признать, что приведенные экспериментальные излучения в GaAs-лазере [17]. Это относится к следанные об излучении явно недостаточны. Получить точ- дующим экспериментальным фактам: 1) уменьшение ное представление о характеристиках излучения априори ширины спектра излучения, достигающее насыщения, нельзя из-за отсутствия теории, описывающей зависи- при увеличении плотности энергии Dex возбуждающего мость такого нестационарного (в пикосекундном диа- импульса и при увеличении диаметра F; 2) универсальпазоне времен) стимулированного излучения в тонком ный характер уменьшения ширины спектра излучения слое полупроводника без резонатора от параметров мощ- s как функции произведения DexF; 3) концентрация ного сверхкороткого импульса оптической накачки. В та- спектра излучения в более длинноволновой области при кой теории должны быть учтены: нестационарность опти- увеличении плотности энергии Dex или диаметра F. Подческой накачки; существенный разогрев генерирующей черкнем, что наблюдавшееся сужение спектра излучения излучение электронно-дырочной плазмы (ЭДП), создава- и концентрация его в более длинноволновой области при емый возбуждающим светом и самим излучением [7–11]; увеличении плотности энергии возбуждающего импульса сильная взаимная связь между процессом охлаждения противоположно тому, что происходило бы, если бы ЭДП и интенсивностью излучения [9,11]; нестационар- излучение было спонтанным. Спектр спонтанного излуное и неоднородное пространственное распределение чения, согласно [18], становится шире и распространяЭДП [11] и т. д. При такой ситуации мы продолжили ется в коротковолновую область при усилении накачки в настоящей работе экспериментальное исследование, полупроводника.

чтобы получить представление о влиянии на излучение Немногочисленность экспериментальных работ по исдиаметра луча F и плотности энергии Dex возбуждаю- следованию излучения, возникающего при оптической щего импульса (называемого также импульсом накачки). накачке полупроводника без резонатора сверхкороткими Длительность импульса — 14 пс. Поясним, что при импульсами, связана, по-видимому, со следующими обизменении плотности энергии Dex должны изменяться стоятельствами. Во-первых, для возбуждения излучения 538 И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов для стабилизации поверхностной рекомбинации и механической прочности, прозрачны для света с <1.7эВ, используемого в эксперименте. Образец облучали мощным импульсом света длительностью 14 пс, падавшего на образец под углом 10 относительно нормали к его поверхности. Энергия фотона возбуждающего света ex = 1.485 эВ превышала ширину запрещенной зоны GaAs на 60 мэВ. Межзонное поглощение возбуждающего света происходило только в слое GaAs. Изменение Рис. 1. Предполагаемая схема выхода излучения (показано интенсивности света по сечению возбуждающего луча стрелками) из образца наружу.

было приблизительно гауссовым. Опыты проводились при различных значениях энергии светового импульса и диаметра луча F. По методике, описанной в [20], были измерены спектры краевого излучения (интегральные требуются источники сверхкоротких импульсов света по времени), распространяющегося внутри телесного высокой мощности. Желательно, чтобы энергия фотона угла 4. Ось угла совпадала с нормалью к эпитаксивозбуждающего света ex лишь несколько превышала ширину запрещенной зоны Eg. Тогда температура Tc альным слоям, проведенной из возбуждаемой области.

Для удобства анализа результатов измерений рассчигенерируемой электронно-дырочной плазмы не слишком тывались плотности энергии возбуждающего импульса сильно превышает температуру кристаллической решетсвета Dex и плотности энергии импульса излучения:

ки (например, в работе [3] Tc 470 K). Это ускоряет спектральная ds и интегральная по спектру Ds. Это делапоявление излучения. Во-вторых, необходимо найти сполось на основании измерений соответствующих энергий, соб вывода излучения из слоя полупроводника наружу.

интегральных по времени, и диаметра возбуждающего Эпитаксиальные слои полупроводников являются волнолуча (на полувысоте). Соответственно, значения Dex, водами. Если слой полупроводника изготовлен идеально, ds и Ds являются интегральными по времени и средто выход наружу существенно усиленного спонтанного ними по сечению фотовозбуждаемой области образца.

излучения возможен лишь в продольном направлении, но еще до выхода наружу в этом направлении излучение поглощается в невозбужденной области образца. Это особенно относится к опытам при комнатной температуре, как показано в [1]. К тому же, если излучение и достигало бы торцов образца, то влияло бы отражение излучения от торцов. В настоящей работе мы выявили характерные признаки спектров стимулированного излучения, исследуя излучение, выходящее ортогонально эпитаксиальному слою, хотя часто считают, что в этом направлении распространяется лишь спонтанное, практически не усиленное излучение. Из реально видимых причин выхода излучения в направлении, ортогональном слою, пока можно назвать лишь несовершенство морфологии поверхности гетероструктуры, в состав которой входит исследуемый слой GaAs (гетероструктура описана далее). Несовершенство морфологии создают так называемые овальные дефекты. Они являются специфическим типом дефектов при молекулярно-лучевой эпитаксии — методе, которым выращена гетероструктура.

Размеры овальных дефектов составляют 2 100 мкм(см. [19]). Эти дефекты достаточно однородно распределены по образцу (в масштабе возбуждаемой площади образца). На рис. 1 упрощенно показано, как может происходить выход излучения наружу.

Опыты проводились при комнатной температуре TR.

Исследовавшийся образец представлял собой гетероструктуру Al0.22Ga0.78As–GaAs–Al0.4Ga0.6As, с толщинаРис. 2. Зависимости плотности интегральной по спектру ми слоев 1.3-1.5-1.2 мкм, выращенную на подложке из энергии излучения Ds (a), плотности энергии излучения ds при GaAs (100). Концентрация фоновых примесей в гетеро s = 1.39 эВ (b) и s = 1.42 эВ (c) от плотности энергии структуре была < 1015 см-3. На площади 4 4мм2 под- возбуждающего импульса Dex. ex = 1.485 эВ, F, мм: 1 —0.2, 2 —0.7. D — нормировочная величина.

ложку стравливали. Слои AlxGa1-xAs, предназначенные ex Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Спектр стимулированного излучения, возникающего при межзонном поглощении... Перемещение носителей заряда по образцу во время Характерный вид наблюдавшихся спектров излучения излучения в расчет не принималось. Это допустимо по иллюстрирует рис. 3. При минимальной использовавотношению к диффузии носителей заряда, длина которой шейся плотности энергии возбуждения Dex наблюдались по оценкам существенно меньше F. Надо ли учиты- спектры, подобные спектру рис. 3, b для F = 0.2мм и хавать перераспределение ЭДП по образцу, связанное с рактерные еще для спонтанного излучения. На это указыгенерацией ЭДП при межзонном поглощении самого вает следующие факты. Во-первых, максимум в спектре излучения в слое GaAs, пока не ясно. Расчеты [11] плотности ds энергии краевого излучения располагается m 0 такого перераспределения ЭДП выполнены пока только при энергии фотона s Eg, где Eg — ширина запредля одномерного случая.

щенной зоны ”невозбужденного” образца (см. рис. 4).

На рис. 2, a представлена экспериментальная зависи- Во-вторых, ширина спектра излучения (на полувысоте) мость плотности энергии излучения Ds от плотности s даже несколько превышает значение 1.8kTR (см.

энергии возбуждающего импульса Dex. Экспериментальрис. 5), характерное для спонтанной люминесценции при ные результаты хорошо аппроксимируются линейной закомнатной температуре [22]; большая чем 1.8kTR ширина висимостью, которая пересекает ось Dex при некотором спектра объясняется уширением спектра спонтанного значении D0. Величину D0 нередко называют порогоизлучения с ростом температуры ЭДП Tc, а температура ex ex вой, и более подробно она обсуждается в работах [2,4].

Tc в наших опытах должна превышать TR, так как кинетиВозникающее в указанном смысле пороговым образом, линейное возрастание энергии излучения при усилении накачки характерно для стимулированного излучения.

Аналогичные линейные зависимости наблюдались при исследовании стимулированного излучения при разных методах накачки, например, в слое GaInAsP [4], в суперлюминесцентном диоде из арсенида галлия [14], в лазере на двойной гетероструктуре AlxGa1-xAs/GaAs [21].

Отметим, что при увеличении Dex за пределы показанного на рис. 2, a диапазона (из-за ограничения энергии возбуждающего импульса это было сделано только для F = 0.2мкм) зависимость Ds(Dex) обнаруживала тенденцию к насыщению.

Как видно из рис. 2, a, при изменении диаметра F от 0.7 до 0.2 мм зависимость Ds(Dex) практически не изменялась. Параметры Dex и F, безусловно, должны влиять на стимулированное излучение. Однако интегральная зависимость Ds(Dex, F), измеряемая при оптической накачке сверхкороткими импульсами, мало приРис. 3. Спектры плотности энергии излучения ds из GaAs годна для выявления характерных для стимулированного при ex = 1.485 эВ. a: 1 — Dex = 22 D, F = 0.2 мм;

ex излучения процессов. Это связано с тем, что плотность 2 — Dex = 20 D, F = 0.7 мм. b: 1 — Dex = 6.8 D, ex ex энергии излучения Ds определяется интегральным колиF = 0.2 мм; 2 — Dex = 7.5 D, F = 0.7 мм. D — ex ex чеством электронно-дырочных пар, фотогенерированных нормировочная величина.

во время возбуждающего импульса, а затем излучательно рекомбинировавших, т. е. плотность энергии импульса излучения определяется в значительной степени межзонным поглощением возбуждающего импульса света, генерирующего ЭДП.

Можно отметить, что при изменении диаметра F наблюдалось изменение зависимости плотности энергии излучения (при фиксированной энергии фотона) ds от плотности энергии возбуждения Dex (см. рис. 2, b, c).

Это, по-видимому, является уже проявлением стимулированной природы излучения и связано с изменением размера усиливающей излучение активной среды. Однако анализ таких зависимостей (измерявшихся также в [2]) затрудняется упоминавшимся отсутствием теории исследуемого излучения. Более ясно стимулированная природа излучения проявляется в изменениях спектра m Рис. 4. Зависимость энергии фотона s, соответствующей излучения при изменении диаметра луча F и плотности максимуму спектра излучения, от Dex при ex = 1.485 эВ.

энергии возбуждающего импульса Dex. Этому посвящена F, мм: 1 —0.2, 2 —0.7. D — нормировочная величина.

остальная часть настоящей работы. ex Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 540 И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов излучения, но не учитывает конкретные особенности полупроводника. Согласно [16], спектр стимулированного излучения должен сужаться при увеличении энергии излучения не более чем в 3 раза. После этого ширина спектра почти не изменяется при увеличении энергии излучения. Этот вывод теории согласуется с представленными на рис. 5 экспериментальными зависимостями s = f (Dex). При этом надо принять во внимание, что плотность энергии возбуждения Dex пропорциональна плотности энергии излучения Ds. Отметим, что упомянутый вывод не мог быть подтвержден, например, в опытах с полупроводниковыми лазерами.

Лазеры наиболее часто используют для изучения стимулированного излучения, но сужение спектра в этих приборах в значительной степени создается резонатором.

В теории [16] также показано, что увеличение длины активной среды должно приводить к сужению спектра стимулированного излучения. Это качественно объясняет описанное выше изменение экспериментальной завиРис. 5. Зависимости ширины спектра излучения s от симости s = f (Dex) при изменении диаметра F, Dex при ex = 1.485 эВ. F, мм: 1 — 0.2, 2 — 0.7. На показанное на рис. 5.

вставке — соответствующие зависимости s от DexF. D — ex На вставке к рис. 5 результаты измерений зависимости нормировочная величина.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.