WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Сверхбыстрая автомодуляция спектра поглощения света, возникающая при сверхкоротких оптической накачке и суперлюминесценции в GaAs ¶ © Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.В. Стеганцов Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 125009 Москва, Россия (Получена 5 декабря 2005 г. Принята к печати 19 декабря 2005 г.) Во время пикосекундной фотогенерации носителей и интенсивной суперлюминесценции в GaAs обнаружена автомодуляция спектра поглощения света. При изменении пикосекундной задержки зондирующего импульса относительно импульса накачки в области < 0 локальные усиления поглощения (выступы) перемещались по спектру (модуляция напоминала бегущую волну). При изменении вблизи нуля выступы на спектре возникали и исчезали приблизительно при фиксированных энергиях фотонов (модуляция сходна со стоячей волной). При некоторых энергиях фотона зависимость скорости изменения коэффициента поглощения d/d от оказалась модулированной пульсациями, сходно с ранее выявленной модуляцией пикосекундного стимулированного излучения из GaAs. Предположительно, автомодуляция спектра отображает (тем самым обнаруживает) модуляцию распределения электронов в зоне проводимости. Эта модуляция вызвана тем, что эволюция обеднения заселенности электронов на дне зоны проводимости во время суперлюминесценции отображается (благодаря электрон-фононному взаимодействию) на заселенности вышележащих энергетических уровней зоны.

PACS: 71.35Ee, 78.30.Fs, 78.47.+p, 78.55.Gr 1. Введение как тем, что частота электрон-электронных столкновений становилась больше частоты электрон-фононных В данной работе представлены результаты исследова- столкновений, так и тем, что экранировалось электронния изменений в спектрах поглощения света в GaAs, фононное взаимодействие. Изучалось также образование появляющихся во время сверхкороткой фотогенерации локальной особенности энергетического распределения плотной горячей электронно-дырочной плазмы (ЭДП).

ЭДП в области тех энергетических уровней, на которые Приставка „сверх-“ в этой работе означает — не мед- носители накачивались интенсивным фемтосекундным леннее, чем в пикосекундном диапазоне времен. По- импульсом света (см., например, [4]). В этом случае глощение исследовалось в спектральной области выше темп накачки (генерации) носителей, по-видимому, прекрая фундаментального поглощения. В прямозонном по- вышал частоту внутризонного ухода носителей с этих лупроводнике изменение поглощения в этой спектраль- уровней.

ной области преимущественно отображает изменение Нам известно только небольшое число оптических заселенности энергетических уровней неравновесными исследований, где, как и в настоящей работе, невозможносителями заряда [1]. Экспериментально наблюдавшиеность интерпретировать энергетическое распределение ся нами спектры не объяснялись в предположении, что ЭДП как распределение Ферми–Дирака обнаруживались они отображают межзонное поглощение зондирующего в следующих условиях:

света в GaAs с фермиевским распределением ЭДП.

1) в диапазоне времен, не менее чем на порядок И это при том, что длительности импульсов накачки превышавших F;

и зондирования были 10 пс, т. е. наши измерения 2) в области энергетических уровней, достаточно отпроводились в пикосекундном диапазоне времен, а оцедаленной от уровней, на которые накачивались носиночное время залечивания отклонений от фермиевского тели;

распределения носителей F 10-13 с [2].

3) при плотности фотогенерированной ЭДП Среди оптических исследований, в которых обнаруn = p > 1018 см-3.

живалось нефермиевское распределение неравновесных Так, в опытах [5] после накачки GaAs мощным субпиносителей заряда в полупроводниках, можно назвать косекундным импульсом, генерировавшим ЭДП с плотизучение LO фононных осцилляций в распределении ностью 1018 см-3, спектр просветления (увеличения горячих электронов во время релаксации последних [3].

прозрачности) не мог быть объяснен в предположеОсцилляции появляются в процессе излучения горянии, что распределение ЭДП фермиевское. Исследовачими электронами продольных оптических (LO) фононие комбинационного рассеяния света в GaAs [6], где нов. То, что эти осцилляции исчезают при увеличении использовались синхронные возбуждающий и пробный концентрации электронов до 1017 см-3, объясняли световые импульсы длительностью 20 пс, показало, что ¶ распределение фотогенерированной ЭДП плотностью E-mail: bil@mail.cplire.ru Fax: (495) 203 84 14 от 1018 до 1019 см-3 было нефермиевским. В работе [7] Сверхбыстрая автомодуляция спектра поглощения света, возникающая при сверхкоротких... комбинационное рассеяние света с участием продоль- энергию LO фонона LO. Аналогично возникала выше ных оптических фононов наблюдалось только в первые в зоне третья область обеднения и т. д. [8]. Распределение несколько пикосекунд генерации горячей плотной ЭДП. носителей становилось нефермиевским.

В качестве возможного объяснения этого предполага- Учитываемое в дальнейшем влияние описанного мелось, что в этом интервале времени еще не успевало ханизма обеднения на поглощение света состояло в установиться фермиевское распределение ЭДП, из-за следующем. Каждое обеднение заселенностей приводило чего не экранировалось электрон–LO фононное взаимок локальному отклонению реально измеряемого спектра действие.

expt( ) от спектра F( ), рассчитанного для ферВ наших опытах [8,9] в интервале энергии фотонов миевского распределения ЭДП, где — коэффициент Eg < < ex были обнаружены LO-фононные осцилпоглощения. Локальные отклонения располагались в ляции в спектре обратимого пикосекундного просветспектре поглощения (как и в спектре просветления) с ления GaAs, возникавшие при плотности фотогенерипериодом рованной ЭДП n = p > 1018 см-3. Здесь Eg — ширина me = LO 1 +.

запрещенной зоны, ex — энергия фотона пикосекундmh ного импульса накачки. Для объяснения этих осцилляЗдесь me и mh — массы соответственно электрона и ций был предложен новый физический механизм обтяжелой дырки. Отклонение в спектральной области разования отклонений от фермиевского распределения усиления света, вызванное первым обеднением заселенэлектронов в зоне проводимости [8]. Этот механизм, соностей, было названо „дырой“ (реальное усиление меньгласующийся с последующими экспериментами [10,11] ше расчетного). Отклонение в области поглощения свеи расчетами [12] и использованный для интепретации та, вызванное вторым обеднением, названо „выступом“ экспериментальных результатов данной работы, состоял в следующем.

При межзонном поглощении пикосекундного импульса света в GaAs генерировалась ЭДП. Плотность ЭДП была настолько большой, что создавалась инверсия заселенностей носителей, и во время импульса возникала интенсивная суперлюминесценция [13–15]. Под суперлюминесценцией подразумевается стимулированное (усиленное спонтанное) излучение в активной среде без резонатора. Внутризонное поглощение возбуждающего света и суперлюминесцентного излучения и то, что носители рождались на уровнях с энергией, большей, чем энергии тех уровней, с которых они рекомбинировали, приводило к разогреву ЭДП [16–19]. Последний сопровождался разогревом LO фононов [12], чему должен содействовать эффект узкого фононного горла [20,21].

Опыты [8–11] привели к предположению, что интенсивность суперлюминесценции и разогрев LO фононов оказывались достаточными, чтобы устанавливалось соотношение времен:

F e–LO -1. (1) Рис. 1. Экспериментальный спектр поглощения света в Соотношение F e–LO следовало также и из расченевозбужденном GaAs expt (кривая 1). Расчетные (фермитов [12]. Здесь e–LO — время энергетической релаксаевские) спектры поглощения света в GaAs F при разции электронов только за счет электрон–LO-фононнных личных концентрациях n и температурах T ЭДП: 2 — столкновений, — частота стимулированных межзонn = 5 · 1017 см-3, T = 25 мэВ; 3 — n = 1018 см-3, T = 25 мэВ;

ных рекомбинационных переходов электронов. Соотно4 — n = 2 · 1018 см-3, T = 35 мэВ; 5 — n = 4.7 · 1018 см-3, шение (1) делало возможным следующее.

T = 63 мэВ; 6 — n = 4.7 · 1018 см-3, T = 47 мэВ. На вставМощная суперлюминесценция создавала первое обедке (взято из работы [11]): 1 — расчетный спектр понение заселенностей носителей в зоне проводимости — глощения света при фермиевском распределении ЭДП в обеднение на энергетических уровнях, с которых элекGaAs: n = 4.7 · 1018 см-3, T = 52 мэВ; 2, 3 — экспериментальтроны вынужденно рекомбинируют. При образовании ные спектры поглощения света в фотовозбужденном GaAs этого обеднения частота прихода электронов, путем при длительности возбуждающего и зондирующего импульэмиссии LO фононов, на уровни с обедненной заселенносов tp = 14 пс, времени задержки зондирующего импульса стью начинала превышать частоту ухода с этих уровней относительно возбуждающего = -3 пс, энергии фотона возэлектронов из-за поглощения LO фононов, т. е. перестабуждающего импульса ex = 1.558 эВ; 4 — спектр интегральвал выполняться принцип детального равновесия. Это ной по времени энергии Ws пикосекундной суперлюминесценприводило к появлению в зоне проводимости второй ции, измеренный с „широким“ шагом (превышавшим квазипеобласти обеднения, расположенной выше первой на риод модуляции спектра излучения, обнаруженный в [23]).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 808 Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.В. Стеганцов (реальное поглощение больше расчетного). Спектраль- GaAs–Al0.4Ga0.6As, а образец 2 — Al0.4Ga0.6As–GaAs– ные формы дыры и выступа, определяемые разностью Al0.4Ga0.6As. Толщины эпитаксиальных слоев каждой гетероструктуры составляют 1.2-1.6-1.2 мкм соответexpt( ) - F( ), оказались подобны между собой [11].

ственно. Гетероструктуры были выращены молекулярноЭто подобие дало метод исследования эволюции дыры лучевой эпитаксией на подложке GaAs (100). После в спектре по наблюдению эволюции выступа. Метод эпитаксии предназначавшаяся для исследований область потенциально обладает высоким временным разреше гетероструктуры освобождалась от подложки с помонием, поскольку инерционность отображения первого щью химико-динамического травления. Концентрации обеднения во втором обеднении 10-13 с [12].

донорных и акцепторных примесей в гетероструктуре В данной работе обнаружилась сверхбыстрая автоне превышали 1015 см-3. Слои AlxGa1-xAs предназнамодуляция спектра поглощения внутри спектрального чены для стабилизации поверхностной рекомбинации интервала шириной, происходящая во время пикосеи механической прочности и прозрачны для света, искундного возбуждающего импульса (накачки). Заметим, пользуемого в эксперименте. На поверхности образцов, что в принятой в спектральном анализе классификапараллельных эпитаксиальным слоям, было нанесено ции исследовавшийся спектр относился к мгновенным двухслойное антиотражающее покрытие из SiO2 и Si3N4, спектрам [22]. Под модуляцией спектра подразумеваблагодаря чему отражение света, направленного по лось возникновение на нем локальных особенностей.

нормали к поверхности образца, не превышало 2% в Это можно характеризовать как умножение „гладкого“ реальных условиях наших экспериментов.

(без локальных особенностей) спектра на множитель При межзонном поглощении мощного возбужда1 + f (, ), где f (, ) — модулирующая функция [22].

ющего (ex) импульса света с энергией фотона По виду обнаруженной автомодуляции спектра поглоще ex = 1.558 эВ, падавшего на образец под углом ния можно полагать, что модулирующая функция была относительно нормали к его поверхности, в слое GaAs сходна на разных этапах накачки с бегущей и со стояпроисходило (согласно нашим ранее выполненным рачей волнами. Именно это подразумевается далее, когда ботам) следующее. Генерировалась горячая ЭДП, плотдля краткости говорится, что автомодуляция сходна со ность которой (n = p > 1018 см-3) была достаточной стоячей или бегущей волной. Был обнаружен еще и при- для сверхбыстрого возникновения в GaAs суперлюмизнак согласования автомодуляции спектра поглощения с несценции [13–15,24]. Интенсивность суперлюминесценобнаруженной в [23] модуляцией генерируемого в GaAs ции, по оценкам, была более 1018 Вт/см2. При совместпикосекундного стимулированного излучения. ном действии накачки и суперлюминесцентной рекомбинации плотность ЭДП и соответственно прозрачность Предположительно, автомодуляция спектра поглощеобразца обратимо изменялись в пикосекундном диапания отображала модуляцию распределения электронов зоне времен. Их изменение происходило приблизительв зоне проводимости. А модуляция распределения в но синхронно с обратимым изменением разогрева ЭДП свою очередь отображала (с помощью вышеописанного (природа разогрева пояснялась в разд. 1) [14,16–20,25].

механизма) сверхбыструю спектрально-временную эвоЭкспериментально исследовались спектры поглощелюцию обеднения (модуляцию) инверсной заселенности ния зондирующего (pr) импульса. Зондирующий луч носителей на дне зоны проводимости во время суперлюпроходил через центр фотовозбужденной области слоя минесценции. В этом контексте термин „спектрально-“ GaAs перпендикулярно плоскости слоя. Длительность tp относится к энергетическому спектру электронов. Предвозбуждающего и зондирующего импульсов, определявположение о сверхбыстрой модуляции инверсной засешаяся по их кросс-корреляционной зависимости [1], приленности согласовывалось и с предположением, экспенимала в эксперименте два значения tp = 9.6 и 11.4 пс.

риментально обоснованным в работе [23], о пульсациИнтегральная энергия возбуждающего импульса была онном характере генерации интенсивного стимулироодинаковой при обоих значениях tp и на 4 порядка ванного излучения в GaAs. Если эту первоначальную больше интегральной энергии зондирующего импульса.

интерпретацию не изменят будущие исследования, то Изменение интенсивности света по сечению возбуждаизучение обнаруженной автомодуляции может представющего луча (то же и для зондирующего) было прилять интерес для кинетики нефермиевской электронноблизительно гауссовым. Отчасти поэтому неоднородное дырочной плазмы в полупроводнике и кинетики сверхраспределение в пространстве могли иметь концентрабыстрого взаимодействия полупроводника с собственция и температура ЭДП, а также суперлюминесцентным интенсивным стимулированным излучением.

ное излучение [26–28]. Диаметр возбуждающего луча (на полуширине распределения интенсивности света) составлял 0.6 мм, зондирующего — 0.3 мм. Спектры 2. Эксперимент измерялись:

а) при различных фиксированных значениях времеСпектры поглощения исследовались по методике ни задержки зондирующего импульса относительно „excite-probe“, широко используемой в оптической спек- возбуждающего импульса, преимущественно в области троскопии сверхбыстрых процессов. Опыты проводились < |tp|;

при комнатной температуре на двух образцах. Обра- б) в диапазоне энергий фотона 1.42-1.46 эВ, ширина зец 1 представлял собой гетероструктуру Al0.22Ga0.78As– которого равнялась.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.