WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Влияние диаметра фотовозбуждаемой области на пикосекундную релаксацию просветления тонкого слоя 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 обнаружено, что релаксация просветления GaAs, которое возникает при фотогенерации носителей заряда мощным пикосекундным импульсом света, замедляется при увеличении диаметра луча F. Релаксация просветления вызвана уменьшением концентрации носителей из-за рекомбинационной суперлюминесценции в GaAs. Получается, что при увеличении диаметра F скорость суперлюминесценции рекомбинации замедляется, хотя интенсивность суперлюменесцентного излучения должна возрастать. Это кажущееся противоречие объясняется с помощью теории.

Исследована релаксация просветления тонкого слоя для использовавшегося света. Просветление исследоваGaAs. Просветление (увеличение прозрачности) возни- лось по методике ”excite-probe”, как в [1]. Длительность кало при фотогенерации электронно-дырочной плазмы возбуждающего (ex) и зондирующего (p) испульсов — (ЭДП) мощным импульсом света длительностью 14 пс. 14 пс. Изменение интенсивности света по сечению возбуПросветление отображает изменение суммы заселенно- ждающего и зондирующего лучей было приблизительно стей неравновесными носителями заряда энергетических гауссовым. Зондирующий луч проходил через центральуровней в валентной зоне и зоне проводимости, свя- ную часть фотовозбуждаемой области образца. Характе1 0 занных прямыми оптическими переходами [1]. Опыты ризующее просветление отношение lg(T /T ) (T —пропроводились при комнатной температуре TR. Концентра- зрачность образца, индексы 1 и 0 означают соответственция фотогенерируемой ЭДП была достаточной, чтобы но наличие и отсутствие возбуждения) и средняя (по севозникала рекомбинационная суперлюминесценция. В чению луча) плотность энергии возбуждающего импульработе [1] нами установлено, что когда фотогенерация са Dex рассчитывались по результатам измерений интеЭДП прекращается, то суперлюминесцентная рекомби- гральных по времени энергий зондирующего и возбунация за времена пикосекундного диапазона обеспечи- ждающего импульсов и диаметра возбуждающего луча F вает релаксацию концентрации ЭДП (соответственно, (на полувысоте распределения интенсивности). Спектры излучения (интегральные по времени), возникавшего и просветления) до некоторого остаточного уровня.

при фотовозбуждении образца, измерялись как в [3].

Согласно [1], когда остаточный уровень достигается, температура ЭДП Tc становится приблизительно равной На рис. 1 представлено изменение просветления со комнатной TR, суперлюминесценция затухает, и далее временем при плотности энергии импульса Dex = 56 D ex релаксация концентрации ЭДП и просветления происходит существенно медленнее, с характерным временем, сравнимым со временем спонтанной рекомбинации в GaAs 1нс.

При увеличении диаметра F фотовозбуждаемой области слоя GaAs должна возрастать интенсивность суперлюминесценции излучения, и можно было бы ожидать, что возрастет и скорость суперлюминесцентной рекомбинации носителей. Это ускорило бы ”пикосекундную” релаксацию просветления до остаточного уровня.

Однако в данной работе экспериментально обнаружено обратное — ”пикосекундная” релаксация просветления до остаточного уровня замедлялась при увеличении диаметра F возбуждающего луча. Этот факт качественно объясняется с помощью теории [2].

Образец представлял собой гетероструктуру Рис. 1. Изменение просветления GaAs со временем задержAl0.22Ga0.78As–GaAs–Al0.4Ga0.6As, с толщинами ки d между возбуждающим и зондирующим импульсами при слоев 1.3-1.5-1.2 мкм и концентрацией примесей ex = 1.485 эВ, p = 1.568 эВ: 1 — F = 0.2 мм, < 1015 см-3. Ширина кривой дифракционного f = 0.1 мм; 2 — F = 0.7 мм, f = 0.35 мм. На вставке — спад отражения рентгеновского луча, характеризующая просветления в полулогарифмическом масштабе. Из кривых степень дефектности кристаллической решетки GaAs, определено: r = 19 пс при F = 0.7 мм; r = 15 пс при составляла 29 угл.с. Слои AlxGa1-xAs были прозрачными F = 0.2мм Влияние диаметра фотовозбуждаемой области на пикосекундную релаксацию просветления... F = 0.7 мм, то соответствующее остаточному просветлению энергетическое распределение ЭДП при Tc TR можно приблизительно характеризовать условиями n = p, µe = µh Eg, (1) Здесь n и p — соответственно концентрации электронов идырок, µe иµh — квазиуровни Ферми электронов и дырок, Eg — ширина запрещенной зоны. Условию (1) соответствует максимальная концентрация ЭДП, при которой еще нет инверсии заселенностей. В настоящей работе остаточное просветление уменьшалось при увеличении диаметра F (см. рис. 1). По-видимому, при малых диаметрах F суперлюминесценция затухает, и устанавливается Рис. 2. Спад просветления GaAs со временем задержки d остаточное просветление, когда некоторая инверсия еще между возбуждающим и зондирующим импульсами (в полулосохраняется. Тот факт, что при разных диаметрах F гарифмическом масштабе) при f = 0.17 мм, ex = 1.513 эВ, суперлюминесценция заканчивается при разных уровнях p = 1.568 эВ. F, мм 1 — 0.24, 2 — 0.35, 3 —1.1. Указаны остаточного просветления, подтвердили измерения завизначения r.

симости просветления от времени (см. рис. 4) и излучения из образца при плотности энергии Dex = 12 D.

ex Для диаметра F = 0.2 мм максимальное и остаточное просветление отличались незначительно. Ширина спектра излучения ( ) равнялась при этом 62 мэВ, что соответствует спонтанному излучению (см. [4]), т. е.

суперлюминесценция при этом диаметре не разгоралась.

Для диаметра F = 0.7 мм наблюдалась ”пикосекундная” релаксация просветления до остаточного уровня, который лежал ниже, чем при F = 0.2 мм. При F = 0.7мм ширина спектра излучения ( ) = 28 мэВ. Более узкий спектр излучения при F = 0.7 мм подтверждал, что разгоралась суперлюминесценция [5]. Подчеркнем, Рис. 3. Экспериментальная зависимость характерного вречто, хотя остаточное просветление и увеличивалось при мени релаксации r от диаметра возбуждающего луча F при уменьшении диаметра луча F (поскольку суперлюми p = 1.568 эВ (точки). Сплошная линия — теоретическая зависимость r = (2/3)(A + BpTc1/2Eg)h; параметры A и B, несценция, по-видимому, затухала при более высокой подобранные для наилучшей аппроксимации эксперименталь- концентрации ЭДП), для фиксированного F остаточное ных данных, приведены в тексте.

просветление практически не изменялось при изменении плотности энергии возбуждения Dex (как наблюдалось нами и ранее [6,7]).

Обсудим ”пикосекундную” релаксацию просветления.

(D — нормировочная величина) и фиксированном ex Поскольку энергия возбуждающего фотона ex ненаотношении диаметров возбуждающего (F) и зондирумного превышает Eg, то и температура фотовозбуждающего ( f ) лучей, равном 2. При большем диаметре емой ЭДП должна несильно превышать температуру возбуждающего луча F = 0.7 мм просветление спадало решетки (например, в работе [2] при ex = 1.52 эВ со временем медленнее и достигало уровня остаточного просветления на 15 пс позднее, чем при F = 0.2 мм.

Остаточное просветление при диаметре F = 0.7ммбыло меньше, чем при F = 0.2 мм. По спаду просветления мы определили характерное время r ”пикосекундной” релаксации просветления до остаточного уровня (см.

вставку к рис. 1). На рис. 2 представлен спад просветления, измеренного уже при фиксированном диаметре f зондирующего луча. В обоих опытах по измерению релаксации просветления (рис. 1, 2) время r возрастало при увеличении диаметра F по одному и тому же закону (см. рис. 3).

Рис. 4. Изменение просветления GaAs со временем задержВработе [1] было экспериментально показано, что ко- ки d между возбуждающим и зондирующим импульсами при ex = 1.485 эВ, p = 1.568 эВ. F, мм: 1 —0.2, 2 —0.7.

гда остаточное просветление достигается при диаметре Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 544 И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов температура ЭДП не превышала 470 K). В этом слу- при Tc > TR. Результаты численного моделирования [13] чае наблюдаемое изменение просветления отображает подтверждают, что в центральной части фотовозбужденпреимущественно изменение концентрации ЭДП (это ной области, где и исследуется просветление, допустимо подтверждают экспериментальные спектры просветле- аппроксимировать экспонентой уменьшение температуния при разных температурах и концентрациях ЭДП [8], ры ЭДП со временем с момента, когда возникает суа также расчетные спектры, иллюстрирующие влияние перлюминесценция, и далее до достижения остаточного изменения температуры и изменения концентрации ЭДП просветления.

на просветеление по отдельности [7]). Спад концентра- Энергия фотона зондирующего света p = 1.568 эВ ции фотогенерированной ЭДП начинается через несколь- выбрана (согласно данным [8]) такой, что измеряемое ко пикосекунд после того, как интенсивность возбужда- просветление должно изменяться пропорционально конющего света прошла через максимум, когда началось центрации n ЭДП. Поскольку n Tc3/2, для теории [2] охлаждение ЭДП [8]. При охлаждении происходит характерное время измерявшейся релаксации просветлепереход носителей заряда с более высоких на более низния должно определяться выражением r (2/3)T.

кие энергетические уровни, поддерживающий инверсию Получаемая теоретическая зависимость для r описызаселенностей. Возникающая за пикосекундные времена вает экспериментальные результаты, если принять, что рекомбинационная суперлюминесценция [9,10] не дает A = 8.5, B = 0.57 (см. рис. 3). Полученное отличие существенно возрастать полосе инверсии [1,11] и уменьподгоночных параметров A и B от теоретических вполне шает концентрацию ЭДП по мере остывания ЭДП. Если допустимо для предполагавшегося качественного соглапренебречь той малой долей концентрации ЭДП, при сия. Средние за время спада просветления до остаточвычитании которой исчезает инверсия населенностей, то ного уровня значения Tc = 400 K и n = 2.8 · 1018 см-энергетическое распределение ЭДП во время остывабыли определены по зависимости просветления от n и Tc ния можно характеризовать условиями (1). Нетрудно в работе [8]. Коэффициент = 54 см-1 был оценен по установить, что в этом приближении концентрация ЭДП концентрации n согласно [14].

n должна изменяться с температурой пропорционально Поясним, почему при увеличении F должно происхоTc3/2, что подтверждают определенные из эксперимента дить замедление суперлюминесцентной рекомбинации, значения n и Tc в работе [8]. Отметим, что наличие которое объясняет обнаруженное замедление ”пикосерекомбинационной суперлюминесценции приводит к докундной” релаксации просветления. При увеличении полнительному разогреву ЭДП (см. [2,12,13]). Этот раF области GaAs, где возбуждена ЭДП, вероятность зогрев должен замедлять охлаждение ЭДП по сравнению внутризоного поглощения фотона суперлюминесцентсо случаем, когда суперлюминесценция отсутствует. Ханого излучения возрастает. При этом по теории [2] рактерное время охлаждения ЭДП в GaAs при наличии разогрев ЭДП из-за внутризонного поглощения излусуперлюминесценции было определено в теории [2]:

чения уменьшает инверсию заселенностей и коэффици ент усиления излучения настолько, что, хотя инT A + BpTc1/2Eg h, (2) тенсивность суперлюминесценции B при увеличении где A = 6.2, B = 0.34, h 0.8 пс — время охлаждения диаметра активной области GaAs возрастает, скорость ЭДП за счет излучения LO-фононов; T, p и h измерястимулированной (суперлюминесцентной) рекомбинаются в пс, Tc —в K, Eg — в эВ. Первое слагаемое ции (dn/dt) (n, T )Bd уменьшается (здесь — в выражении (2) учитывает разогрев ЭДП, связанный частота излучения, интеграл берется по спектральной с тем, что энергия носителей заряда, участвующих в полосе усиления).

суперлюминесцентной рекомбинации, меньше средней При увеличении F ширина спектра усиления света энергии носителей в ЭДП. Второе слагаемое учитывает должна уменьшаться из-за вышеуказанного уменьшения разогрев ЭДП из-за внутризонного поглощения суперинверсии заселенностей. Различие в ширине спектров люминесцентного излучения. Время p — это харакусиления при разных диаметрах F (и слабо различаютерное время движения фотона суперлюминесценции в щейся концентрации ЭДП) должно привести к конценактивной среде, пока фотон не покинет эту среду или не будет поглощен. Для исследуемого образца, обладающего волноводными свойствами, при малом количестве оптически чувствительных дефектов кристаллической -решетки можно принять p c( + F-1), здесь — коэффициент внутризонного поглощения света, c — скорость света в среде.

Заметим, что теория [2] в основном описывает релаксацию ЭДП в полупроводниковом лазере с оптической накачкой, но выражение (2) по сделанному в [2] утверждению качественно справедливо для GaAs в отсутствие Рис. 5. Спектры средней (по фотовозбуждаемой площади резонатора. Теория позволяет аппроксимировать экспообразца) плотности ds энергии импульса излучения из GaAs нентой зависимость температуры ЭДП Tc от времени при ex = 1.485 эВ. F, мм: 1 —0.2, 2 —0.7.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Влияние диаметра фотовозбуждаемой области на пикосекундную релаксацию просветления... трации суперлюминесценции в более длинноволновой The influence of photoexcited region области при большем F. Это подтверждают спектры diameter on picosecond relaxation of the излучения из образца, измеренные при Dex = 56 D (см.

ex bleaching of the GaAs thin layer рис. 5). Ширина (на полувысоте) спектров ( ) приI.L. Bronevoi, A.N. Krivonosov близительно соответствует оценке по теории [5] той ширины спектра суперлюминесценции, когда уменьшение Institute of Radioengineering and Electronics, ( ) при увеличении усиления достигает насыщения.

Russian Academy of Sciences, Итак, экспериментально обнаруженное в настоящей 103907 Moscow, Russia работе замедление ”пикосекундной” релаксации просветления при увеличении диаметра F фотовозбужденной

Abstract

It has been obtained experimentally that the relaxation области GaAs объясняется, по-видимому, механизмом of GaAs bleaching which arises at photogeneration of charge замедления суперлюминесцентной рекомбинации, осноcarriers under a powerful picosecond light pulse, slows down ванном на теории [2] и качественно изложенном выше.

with the beam diameter (F) increase. The bleaching relaxation is caused by a carrier density decrease that is because of the Настоящая работа выполнена при финансовой подrecombination superluminescence in GaAs. It turns out that the держке РФФИ (проект 95-02-05871) и ГКНТ России.

superluminescence recombination rate slows down as the diameter F increases inspite of the fact that the superluminescence radiation Авторы приносят глубокую благодарность Ю.Д. Калаintensity must increase. That apparent contradiction has been фати за подробное обсуждение работы и ценные советы.

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.