WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 7 Модуляция оптического поглощения квантовых ям GaAs / AlGaAs в поперечном электрическом поле © Л.Е. Воробьев, Е.А. Зибик, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, О.Н. Нащекина, И.И. Сайдашев Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 23 декабря 1997 г. Принята к печати 23 декабря 1997 г.) Экспериментально исследована трансформация спектров внутризонного поглощения света электронами в квантовой яме при воздействии поперечного электрического поля. В дополнение к известному эффекту Штарка были обнаружены осцилляции поглощения в полосе фотоионизации. Они соответствуют переходам электронов из основного состояния в квантовой яме на квазидискретные уровни, которые возникают на фоне континуума состояний над ямой благодаря линейному потенциалу внешнего электрического поля.

Процессы внутризонного оптического поглощения в структуры, в его центральной части были созданы два квантовых ямах определяют работу приемников инфра- точечных контакта. Точечные контакты на каждом из красного излучения нового типа, созданных на основе проводящих слоев были соединены между собой, сопронаноструктур [1]. Наиболее эффективны фотоприемники тивление образца в слабом поле составляло 150 Ом при на квантовых ямах, близких к резонансным, в которых T = 77 K. При этой же температуре проводились оптиодин из дискретных уровней расположен близко к по- ческие и электрооптические измерения. Сравнительно толку ямы. Целый ряд работ посвящен теоретическому малая величина сопротивления структуры в поперечном анализу спектра внутризонного оптического поглощения поле указывает на наличие закорачивающих каналов в таких ям как в равновесных условиях, так и в сильном квантово-размерных слоях. Следовательно, поперечное поперечном электрическом поле (см., например, [2–4]). поле в структуре не является однородным. Как опреЭкспериментальные исследования наноструктур выяви- делялась эффективная напряженность этого поля будет ли, что в сильных электрических полях линия межпод- указано далее.

зонного поглощения испытывает штарковский сдвиг и Оптическое излучение вводилось в структуру через уширение [1,5,6]. В то же время экспериментально скошенный под углом 45 торец подложки. Благодаря пока не наблюдались квазипериодические осцилляции многократным полным внутренним отражениям суммаркоэффициента поглощения в спектре фотоионизации ная длина оптического хода светового пучка по квантовоквантовой ямы, которые, как было предсказано в те- размерным слоям составляла 17 мкм.

оретической работе [2], должны возникать в сильных Перед образцом был установлен поляризатор, повопоперечных электрических полях. Данная работа была рачивая который можно было возбуждать в квантовонацелена на экспериментальное обнаружение указанных размерных слоях либо волну s-поляризации (т. е. обыкноосцилляций.

венную волну, для которой вектор напряженности элекИсследованная структура включала пятьдесят GaAs трического поля перпендикулярен оптической оси струкквантовых ям шириной LW = 5.1 нм, разделенных туры и, соответственно, параллелен плоскости квантоAl0.33Ga0.67As барьерами шириной LB = 25.4нм, вы- вой ямы), либо волну p-поляризации (т. е. необыкновенращенных на полуизолирующей подложке GaAs. Про- ную волну, линейно поляризованную в ортогональном стейший расчет методом эффективной массы в одно- направлении).

электронном приближении (без учета непараболично- Равновесные спектры коэффициента оптического пости и коллективных эффектов) дает для таких ям два глощения (в отсутствие внешнего электрического дискретных уровня: E1 = -174 мэВ и E2 = -4мэВ поля) были исследованы для обеих поляризаций (p и (энергии отсчитываются от потолка ямы; глубина ямы s) в диапазоне h = 130-280 мэВ. На рис. 1 пред|V | = 247 мэВ). Так как уровень E2 является мелким, ставлена спектральная зависимость разности p - s, квантовая яма близка к резонансной. Концентрация элек- которая демонстрирует интенсивный пик поглощения тронов в ямах ns = 3 · 1011 см-2. Между подложкой при h 170 мэВ, соответствующий межуровневым и квантово-размерными слоями имелся легированный переходам E1 E2. Пик поглощения заметно асимслой толщиной 0.5 мкм с концентрацией электронов метричен, его коротковолновое крыло более интенсивно 1018 см-3, к которому, после локального стравливания благодаря вкладу в поглощение процесса фотоионизаквантово-размерных слоев, были созданы четыре то- ции, т. е. переходов электронов под действием света с чечных омических контакта по углам образца (общая уровня E1 в континуум состояний над ямой. В отсутствие площадь образца составляла 6 · 4мм2). Аналогичный внешнего поля фотоионизация имеет порог при энергии легированный слой имелся на свободной поверхности hi = 174 мэВ.

6 850 Л.Е. Воробьев, Е.А. Зибик, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, О.Н. Нащекина, И.И. Сайдашев В спектральной области h < 200 мэВ характер наблюдавшихся спектров модуляции соответствует штарковскому сдвигу линии межуровневого поглощения E1 E2 в электрическом поле, а также ее уширению.

На уширение линии указывает то, что для центральной части равновесного пика поглощения (h 170 мэВ) увеличение напряженности внешнего электрического поля F приводит к оптическому просветлению образца:

p(F) < p(0), а слева и справа к полосе просветления примыкают области затемнения, в которых p(F) > p(0). Это уширение связано с тем, что поперечное электрическое поле делает возможным туннелирование электронов с уровня E2 в надбарьерное пространство. На рис. 3 показано, как увеличивается ширина линии межуровневого поглощения по мере возрастания поперечной разности потенциалов до U = 17.5 В. Характер наблюдаемой зависимости качественно согласуется с расчетом [2]. Привязываясь к точке перегиба на этой кривой, которая соответствует полю F = |E2|/(eLW ), можно установить связь между величиной эффективной Рис. 1. Равновесный спектр оптического поглощения струк- напряженности поперечного электрического поля F в туры с квантовыми ямами. На врезке показаны ход лучей в структуре и измерявшейся в эксперименте разностью пообразце и направление электрического поля световых волн тенциалов U. Соответствующие значения F приведены s- и p-поляризаций, а также схема оптических переходов для на рис. 3 на верхней горизонтальной оси графика.

квантовой ямы в отсутствие внешнего электрического поля.

По равновесному спектру поглощения p(0) и по кривым модуляции p(F) - p(0) можно восстановить неравновесные спектры поглощения в поперечном поле p(F). Анализ последних показывает, что максимальному электрическому полю, которое было достигнуто в эксперименте (F = 70 кВ / см), соответствовал штарковский сдвиг линии межуровневого поглощения +3мэВ. Этот результат хорошо согласуется с экспериментальными данными работы [6].

Рис. 2. Спектральные зависимости изменения коэффициента поглощения для света p-поляризации в поперечном электрическом поле.

Электрические измерения проводились в импульсном электрическом поле, чтобы избежать нагрева образца. Для повышения чувствительности измерительного Рис. 3. Изменение ширины линии межуровневого поглощения тракта использовался синхронный детектор. Для волны (E1 E2) в зависимости от поперечной разности потенциаs-поляризации электрооптическая модуляция отсутстволов U. На верхней горизонтальной оси указана напряженность вала во всем исследованном спектральном диапазоне.

поперечного поля в квантовых ямах. На врезке — схема Измеренная спектральная зависимость модуляции поглооптических переходов для квантовой ямы, помещенной во щения для волны p-поляризации приведена на рис. 2. внешнее электрическое поле.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Модуляция оптического поглощения квантовых ям GaAs / AlGaAs в поперечном электрическом поле Наиболее важным результатом работы, по нашему Optical absorption modulation for мнению, является экспериментальное обнаружение осGaAs / AlGaAs quantum wells in transverse цилляций в спектрах модуляции поглощения для попеelectric field речного поля при энергиях квантов h > 200 мэВ. В L.E. Vorobjev, E.A. Zibik, D.A. Firsov, V.A. Shalygin, отсутствие электрического поля в этой спектральной O.N. Nashchekina, I.I. Saydashev области наблюдается слабое оптическое поглощение, обусловленное оптическими переходами с уровня E1 в St.Petersburg State Technical University, континуум состояний над ямой. Согласно расчету [4], 195251 St.Petersburg, Russia для ям, близких к резонансным, при h > |E1| + |E2| A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, поглощение должно монотонно убывать с ростом энерRussian Academy of Sciences, гии квантов, что и наблюдалось в эксперименте (рис. 1).

194021 St.Petersburg, Russia Создание поперечного электрического поля приводит к трансформации энергетического спектра электронов в

Abstract

The results of experimental investigations of intraband яме. На фоне континуума состояний над ямой в дополнеlight absorption spectra transformation due to effect of transverse ние к редко расположенным уровням прямоугольной ямы electric field are presented. In addition to well-known Stark effect возникает серия квазидискретных уровней, обусловлен- the absorption oscillations in photoionization band were found.

ных линейным потенциалом внешнего поля. В результа- They are caused by electron transitions from the ground state of the well to quasidiscrete levels, arising in continuum above the well те в спектре оптического поглощения возникают пики, due to linear potential of external electric field.

соответствующие переходам электронов с уровня E1 на эти квазидискретные уровни. С увеличением напряженE-mail:vadim@phsc8.stu.neva.ru ности поперечного поля расстояние между этими пиками увеличивается [2].

На вставке к рис. 2 показаны спектры электропоглощения в полосе фотоионизации вдали от линии межуровневого поглощения. При фиксированном поле электропоглощение квазипериодически меняет знак. С ростом напряженности внешнего поля F энергетический интервал между нулями на кривой модуляции монотонно увеличивается, что качественно соответствует расчету [2].

Варьируя модельные параметры в расчете и подгоняя его под эксперимент, можно в принципе независимо определить параметры квантовой ямы: ширину LW и глубину V. Таким образом, с точки зрения метрики квантовых ям, исследования электропоглощения в поперечном поле являются достаточно информативными.

Авторы признательны А.Г. Петрову и А.Я. Шику за обсуждение результатов исследований.

Работа поддержана частично РФФИ, гранты 96-0217404 и 96-02-17961; РФФИ–INTAS, грант 00615i96;

МНТРФ, грант 96-1029; МОПО, грант 95-0-7.2-159 и грант по программе ”Университеты России”, Государственной целевой программой ”Интеграция”, проект № 75.

Список литературы [1] B.F. Levine. J. Appl. Phys., 74, R1 (1993).

[2] А.Г. Петров, А.Я. Шик. ФТП, 24, 1431 (1990).

[3] Ф.Л. Серженко, В.Д. Шадрин. ФТП, 25, 1579 (1991).

[4] А.Г. Петров, А.Я. Шик. ФТП, 31, 666 (1997).

[5] A. Harwit, Jr. J.C. Harris. Appl. Phys. Lett., 50, 685 (1987).

[6] E. Rosencher, E. Martinet, F. Luc, Ph. Bois, E. Bckenhoff.

Appl. Phys. Lett., 59, 3255 (1991).

Редактор В.В. Чалдышев 6 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, №




© 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.