WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 5 Фотолюминесцентные исследования двойных квантовых ям AlGaAs / GaAs / AlGaAs с тонким разделяющим AlAs-слоем © Г.Б. Галиев, М.В. Карачевцева, В.Г. Мокеров, В.А. Страхов, Г.Н. Шкердин, Н.Г. Яременко¶ Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия (Получена 22 мая 2002 г. Принята к печати 28 октября 2002 г.) В диапазоне температур 77-300 K исследованы спектры фотолюминесценции системы из двух квантовых ям Al0.21Ga0.79As / GaAs / Al0.21Ga0.79As, разделенных тонким AlAs-барьером. Ширина ям менялась в пределах 65-175, толщина AlAs-барьера составляла 5, 10 и 20. При достаточно малой толщине AlAs-барьера (5, 10 ) электронная связь между ямами заметно влияет на энергетический спектр квантовых состояний.

Это приводит к смещению основной полосы фотолюминесценции, а на высокотемпературных спектрах — к появлению особенностей, обусловленных расщеплением уровней на симметричные и антисимметричные состояния. При толщине AlAs-барьера 20 структура представляет собой систему из двух изолированных асимметричных квантовых ям Al0.21Ga0.79As / GaAs / AlAs. Проведен расчет энергии уровней в двойных связанных ямах в зависимости от ширины ямы и толщины AlAs-барьера, и получено хорошее согласие наблюдаемых в эксперименте энергий оптических переходов с расчетными значениями.

1. Введение необходимо обеспечить, чтобы AlAs-барьер, являясь „фононной стенкой“, оставался туннельно-прозрачным Двойные квантовые ямы (ДКЯ), представляющие со- для электронов. Поэтому при конструировании ДКЯ бой систему из двух квантовых ям, разделенных тонким AlGaAs / GaAs / AlGaAs с AlAs-барьером важным этапом (в несколько монослоев) слоем из другого материала, является изучение электронных состояний в зависиявляются объектом экспериментальных и теоретических мости от основных параметров структуры: толщины исследований на протяжении трех последних десятиле- AlAs-слоя, ширины ям и высоты основных барьеров тий. Проведение этих исследований первоначально было AlxGa1-x As. Одним из наиболее информативных тесно связано с проблемой создания и использования методов изучения особенностей энергетического полупроводниковых сверхрешеток, поскольку система спектра носителей в полупроводниках является фотоиз двух связанных ям может рассматриваться как про- люминесцентная спектроскопия. Измерения спектров стейшая ячейка сверхрешетки.

фотолюминесценции при низких температурах позволяВ последнее время интерес к таким системам уси- ют с большой точностью определить энергию основного лился в связи с появлением работ, в которых пред- состояния в квантовой яме, а при более высоких сказываются новые эффекты в ДКЯ и рассматриваются температурах — энергии возбужденных состояний.

различные аспекты их применения в приборах микро- В данной работе нами была поставлена задача провеи оптоэлектроники: увеличение подвижности за счет сти температурные измерения спектров фотолюминесуменьшения скорости электрон-фононного рассеяния; ценции (ФЛ) ДКЯ Al0.21Ga0.79As / GaAs / Al0.21Ga0.79As инверсия электронной населенности между квантовыми с различной толщиной AlAs-барьера в зависимости от подзонами и связанная с этим стимулированная эмис- ширины квантовых ям и сопоставить их с расчетом энерсия [1,2]. гетического спектра локализованных состояний в этой Следует отметить, что большинство исследований вы- системе. Ранее о фотолюминесцентных исследованиях полнено на ДКЯ AlGaAs / GaAs / AlGaAs с тонким разде- подобных структур сообщалось в работах [5,6]. Одналяющим AlGaAs-слоем того же состава, что и основные ко в этих работах имеется значительное расхождение барьеры. Для этой системы достаточно хорошо изучены экспериментальных результатов с расчетом. Причиной электрические и оптические свойства, в частности, ис- этого расхождения, по-видимому, является то, что для следованы спектры фотолюминесценции в зависимости простоты расчета квантовых уровней авторы испольот толщины AlGaAs-барьера и показано, что связь зовали некоторые допущения, такие как постоянство эффективных масс во всех слоях [5] или бесконечность между волновыми функциями электронов в ямах сильно влияет на энергетический спектр локализованных состо- высоты AlAs-барьера [6]. В нашей работе сделана попытка провести более строгий расчет, учитывающий яний ДКЯ вплоть до толщин AlGaAs-барьера в 40 [3].

реальные параметры всех слоев, формирующих ДКЯ.

Гораздо менее изучена система ДКЯ AlGaAs / GaAs / AlGaAs, в которой в качестве разделяющего барьера используется тонкий AlAs-слой, 2. Эксперимент непроницаемый для фононов. В этой системе предсказано заметное уменьшение электрон-фононного рассеяния Спектры ФЛ I(h) измерялись с помощью стандарти улучшение транспортных характеристик [4]. При этом ной методики. Для возбуждения люминесценции исполь¶ E-mail: tg275@ms.ire.rssi.ru; spike@fryazino.net зовался непрерывный аргоновый лазер с длиной волны 600 Г.Б. Галиев, М.В. Карачевцева, В.Г. Мокеров, В.А. Страхов, Г.Н. Шкердин, Н.Г. Яременко излучения 488 нм; плотность мощности возбуждения менялась в диапазоне 10-103 Вт / см2. Образец находился в оптическом криостате, позволяющем изменять температуру образцов от температуры жидкого азота до комантной. В качестве фотоприемника использовался фотоумножитель ФЭУ-62.

Исследованные структуры были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs с ориентацией (100), на которую последовательно наносились нелегированные слои: буферный слой GaAs (0.5 мкм); нижний барьерный слой Al0.21Ga0.79As (310 ); слой GaAs, служащий материалом квантовой ямы; верхний барьерный слой Al0.21Ga0.79As (310 );

слой GaAs (80 ) на поверхности структуры. Температура роста слоев GaAs и AlAs составляла 600C, а слоев Al0.21Ga0.79As — 640C; соотношение потоков мышьяка и галлия в зоне роста равнялось 30. Наряду с симметричными одиночными квантовыми ямами (ОКЯ) AlGaAs / GaAs / AlGaAs выращивались двойные Рис. 1. Расчетные энергии электронных (eS, eA) и дырочных (hhS, hhA) уровней относительно краев запрещенной зоны квантовые ямы, которые отличались от одиночных налиGaAs в зависимости от толщины d AlAs-барьера в ДКЯ чием в центре GaAs-ямы тонкого AlAs-слоя, разделяюAl0.21Ga0.79As / GaAs / Al0.21Ga0.79As с шириной квантовых ям щего ее на две асимметричные ямы AlGaAs / GaAs / AlAs L = 65 (сплошные кривые) и L = 130 (штриховые). На равной ширины. Профиль дна зоны проводимости ДКЯ вставке — профиль дна зоны проводимости.

схематически изображен на вставке рис. 1. Исследовались структуры с различной шириной квантовых ям L = 65-350 и толщинами разделяющего AlAs-слоя d = 5, 10 и 20. Параметры исследованных образцов зависимости энергии электронов и дырок от волнового с двойными и одиночными квантовыми ямами приведены вектора; соотношение разрывов зоны проводимости и вав таблице.

лентной зоны Ec/ Ev принималось равным 0.6 / 0.4.

Для ОКЯ с асимметричными барьерами уровни энергии (En) для электронов и дырок определялись числен3. Результаты расчета ным решением уравнения В работе проведен расчет энергий электронных и ды(ik - 1k1)(ik - 2k2) рочных уровней в ОКЯ и ДКЯ с теми же параметрами - exp(2ikL) =0, (ik + 1k1)(ik + 2k2) слоев, что и в исследованных структурах.

Уровни энергии в ямах получены с помощью решения где i — мнимая единица, k = 2mEn/, k1 = уравнений Шредингера (трех для ОКЯ и пяти для ДКЯ) = 2m1(V1 - En)/, k2 = 2m2(V2 - En)/, V1, V2 — с учетом непрерывности на гетерограницах волновых высоты барьеров AlGaAs и AlAs соответственно;

функций и их первых производных. При расчете исm, m1, m2 — эффективная масса в яме GaAs, в барьере пользовалось приближение изотропной параболической AlGaAs, в барьере AlAs соответственно; L — ширина квантовой ямы; 1 = m/m1, 2 = m/m2.

Параметры структур и энергии максимума в спектре фотолюДля симметричных ОКЯ k2 = k1.

минесценции hmax В случае ДКЯ после упрощений уравнение для расчета уровней имеет вид Структура L, d, hmax, эВ ОКЯ 61 65 1.ik ik + - - exp(-2k2d) =0, ДКЯ 55 65 20 1.2k2 2kДКЯ 62 65 5 1.ОКЯ 54 130 1.где ДКЯ 46 130 20 1. exp(-ikd/2) +exp(ikd/2) =, ДКЯ 50 130 10 1. exp(-ikd/2) - exp(ikd/2) ДКЯ 56 130 5 1.ОКЯ 45 260 1.ik + 1k = exp[ik(2L + d)], ДКЯ 52 90 20 1.ik - 1kОКЯ 51 180 1.ДКЯ 59 175 20 1.516 L — ширина каждой из асимметричных ям, формируюОКЯ 58 350 1.щих ДКЯ; d — толщина AlAs-барьера.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фотолюминесцентные исследования двойных квантовых ям AlGaAs / GaAs / AlGaAs... рьерами: AlGaAs / GaAs / AlGaAs и AlGaAs / GaAs / AlAs.

По оси ординат отложены дефициты энергии относительно ширины запрещенной зоны GaAs (EGaAs), Edef = hmax - EGaAs, как это обычно принято при изучении спектра локализованных состояний в полупроводниковых квантово-размерных системах. Такое представление позволяет с большей точностью проводить сравнение эксперимента и расчетных энергий, чем при сравнении абсолютных значений. Кроме того, оно исключает температурную зависимость ширины запрещенной зоны GaAs и дает возможность сопоставлять спектры, измеренные при разных температурах.

Как видно из рис. 2, в асимметричных ямах энергия перехода 1e-1hh больше, чем в симметричных. Различие уменьшается с увеличением ширины ямы, и при L > 150 становится несущественным.

4. Обсуждение результатов Рис. 2. Расчетные зависимости величины Edef = hmax - EGaAs На рис. 3, a, b представлены экспериментальные спекот ширины ямы для одиночных квантовых ям: сплошная тры ФЛ I(h), измеренные при температуре T = 77 K.

линия — симметричные ОКЯ AlGaAs / GaAs / AlGaAs, штриховая — асимметричные ОКЯ AlGaAs / GaAs / AlAs. Точки — На каждом рисунке сравниваются спектры двух ДКЯ экспериментальные значения Edef для симметричных ОКЯ (1) с одинаковой шириной ям L, отличающиеся толщиной и для ДКЯ с AlAs-барьером толщиной d = 20 (2).

AlAs-барьера (5 и 20 ), и спектр симметричной ОКЯ шириной 2L. Спектры всех исследованных структур Результаты расчета для ДКЯ с ширинами ям L = и 130 приведены на рис. 1. При достаточно больших d, когда отсутствует связь между ямами в ДКЯ расчет дает значения энергии перовго уровня в изолированной одиночной яме шириной L с асимметричными барьерами AlGaAs / GaAs / AlAs; с уменьшением толщины разделяющего барьера связь между ямами усиливается и происходит расщепление уровней на симметричные (eS, hhS) и антисимметричные (eA, hhA) состояния. В пределе при d = 0 ДКЯ становится одиночной симметричной ямой AlGaAs / GaAs / AlGaAs размером 2L, а расщепленные состояния переходят в уровни 1e и 2e (1hh и 2hh) в этой яме. В промежутке между крайними случаями расчетные кривые описывают электронный спектр системы двух связанных асимметричных ям шириной L каждая. Видно, что связь между электронными волновыми функциями сильнее проявляется в ДКЯ с более узкими ямами.

В системе ДКЯ с шириной ям L = 130 уровни eA и eS сливаются, т. е. ямы перестают быть связанными, при толщинах AlAs-барьера d 15. В квантовых ямах шириной L = 65 при d = 20 еще имеется небольшое расщепление электронных уровней ( 5мэВ). Расчет показывает, что дырочный уровень расщепляется значительно слабее, чем электронный; при L = расщепление практически отсутствует, поэтому кривые на рисунке не приводятся.

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции при T = 77 K различНа рис. 2 приведены расчетные зависимости энерных структур. a: 1 — L = 130 (ОКЯ 54); 2 — L = 65, гии максимума ФЛ (hmax), соответствующего переd = 5 (ДКЯ 62); 3 — L = 65, d = 20 (ДКЯ 55).

ходу 1e-1hh, от ширины ямы для одиночных кван- b: 1 — L = 260 (ОКЯ 45); 2 — L = 130, d = товых ям с симметричными и асимметричными ба- (ДКЯ 56); 3 — L = 130, d = 20 (ДКЯ 46).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 602 Г.Б. Галиев, М.В. Карачевцева, В.Г. Мокеров, В.А. Страхов, Г.Н. Шкердин, Н.Г. Яременко с двойными и одиночными ямами содержат интенсивную полосу, соответствующую переходу между основными состояниями: в ОКЯ — это переход 1e-1hh, в ДКЯ — eS-hhS (экспериментальные значения энергии максимума hmax основной полосы приведены в таблице). Форма этой полосы близка к симметричной, полуширина характерна для нелегированных квантовых ям (13-15 мэВ).

Важно отметить, что спектры ДКЯ не отличаются по форме и полуширине от спектров ОКЯ и не содержат никаких особенностей, что подтверждает хорошее качество выращенных структур: резкость гетерограниц и равенство ширин ям, составляющих ДКЯ.

Для большинства структур при T = 77 K и высоких Рис. 4. Совмещенные по положению максимума спектры уровнях возбуждения кроме основной полосы в высокофотолюминесценции при T = 180 K для структур с шириной энергетической области спектра присутствовали очень квантовых ям L = 65 : 1 (штриховая линия) — ОКЯ 61, слабые полосы, отстоящие от основой на 90-100 мэВ.

2 (сплошная линия) — ДКЯ 55 с d = 20, 3 — ДКЯ По энергетическому положению эти полосы можно с d = 5.

объяснить только переходами с участием виртуально связанных носителей — электронов и дырок в континууме, энергия которых близка к высоте основных барьеров Ec и Ev соответственно. Возможность лю- связь сильнее влияет на спектры ФЛ более узких ям:

минесценции, обусловленная резонансным увеличением при d = 5 свдиг спектрального максимума для ям шириной 65 и 130 составляет 15 и 8 мэВ соответвероятности захвата на такие уровни, рассматривалась в работах [7,8]. В структурах с L = 65 энергия этих ственно (рис. 3, a, b). Эти значения хорошо согласуются слабых полос (1.660 ± 0.003) эВ соответствует переходу с расчетной зависимостью энергии первого электронномежду электронами в виртуально связанном состоянии го уровня от толщины AlAs-барьера в связанных ямах, и дырками на уровне 1hh; в структурах с L = 130 они приведенной на рис. 1.

наблюдались при (1.610 ± 0.003) эВ, что соответству- С ростом температуры максимум основной полосы ет переходам между виртуально связанными дырками ФЛ всех исследованных структур смещается в соответи электронами на уровне 1e. При высоких температурах ствии с температурным изменением ширины запрещенэти полосы не наблюдались вследствие сильного темпе- ной зоны арсенида галлия и на ее коротковолновом ратурного гашения люминесценции. фронте проявляются переходы, связанные с заполнением Для одиночных квантовых ям экспериментальные зна- более высоких подуровней. Число и энергетическое чения энергии максимумов hmax спектральной интен- положение этих переходов зависит от ширины ям, сивности ФЛ согласуются с расчетом для ОКЯ с сим- а в случае ДКЯ и от степени туннельной прозрачности метричными барьерами (сплошная кривая на рис. 2). разделяющего AlAs-барьера.

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.