WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 7 Поглощение и преломление света при межподзонных переходах горячих электронов в связанных квантовых ямах GaAs / AlGaAs © Л.Е. Воробьев, И.Е. Титков, А.А. Торопов, В.Н. Тулупенко†, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, Т.В. Шубина, E. ToweСанкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия † Донбасская государственная машиностроительная академия, 343913 Краматорск, Украина University of Virginia, Thornton Hall, Charlottesville, VA 22903-2442, USA (Получена 23 декабря 1997 г. Принята к печати 23 декабря 1997 г.) Экспериментально обнаружено и исследовано изменение коэффициента поглощения и показателя преломления в продольном электрическом поле в системе пар туннельно-связанных квантовых ям GaAs / AlGaAs в спектральном диапазоне, соответствующем межподзонным переходам электронов. Наблюдаемые явления объясняются разогревом электронов в электрическом поле и их переносом в реальном пространстве.

Приводятся равновесные спектры поглощения для температуры решетки 80 и 295 K.

Введение Образцы Длины волн, соответствующие межподзонным (т. е. Для исследований была разработана и выращена происходящим в пределах валентной зоны или зоны про- структура, содержащая 150 пар туннельно-связанных водимости) переходам в квантовых ямах полупроводни- квантовых ям (КЯ) GaAs / AlxGa1-xAs, разделенных ковых гетероструктур, обычно лежат в средней и дальней туннельно-непрозрачными барьерами шириной 20 нм.

инфракрасной (ИК) областях спектра ( >5мкм). ИзХод потенциала и уровни энергии в КЯ приведены на менение конструкции квантовых ям приводит к изменерис. 1. Параметры структуры были подобраны таким нию энергетического спектра, что позволяет исследовать образом, чтобы расстояние между уровнями 2 и 3 соотновые явления и создавать оптоэлектронные приборы ветствовало кванту излучения CO2-лазера, а расстояние на межподзонных переходах, работающие в заданной 2 - 1 было бы меньше энергии оптического фонона области спектра. Классическим примером применения 0 = 37 мэВ. Проводилось легирование части барьера межподзонных переходов в оптике являются фотодетекпримесью Si, что уменьшало влияние примесного расторы среднего ИК диапазона [1]. Одним из значительных сеяния на подвижность электронов в КЯ, поверхностная успехов в исследовании оптики межподзонных переходов концентрация электронов составляла Ns = 5 · 1011 см-2.

является разработка лазера на квантовом каскаде [2], который позволил существенно продвинуть длину волны излучения полупроводниковых лазеров в длинноволновую область. Последней разработкой в области лазеров на межподзонных переходах является ”фонтанный” лазер с оптической накачкой [3]. Межподзонные переходы электронов в квантовых ямах также используются для модуляции интенсивности излучения, прошедшего через структуру. Известны модуляторы на основе пары туннельно-связанных квантовых ям, работающие на эффектах пространственного переноса электронов между ямами в поперечном (направленном вдоль оси роста структуры) электрическом поле [4]. Также исследовалась модуляция света при межподзонных переходах в простых прямоугольных квантовых ямах при разогреве электронов продольным электрическим полем, приложенным вдоль квантово-размерных слоев [5–7]. В настоящей работе предлагается исследование модуляции коэффициента поглощения и показателя преломления при разогреве электронов продольным электрическим плем Рис. 1. a — профиль потенциала исследуемой структуры и в специально сконструированной системе туннельно- рассчитанные уровни энергии в ней; b — волновые функции связанных квантовых ям GaAs / AlGaAs. электрона на первых трех энергетических уровнях.

Поглощение и преломление света при межподзонных переходах горячих электронов... Рис. 2. Схема электрооптических измерений, направления поляризации и ход лучей в образце.

Отметим, следующие особенности данной структуры. фонона. Объемный заряд, возникающий при селективном Состояния с энергиями 1 и 4 генетически связаны легировании, несколько видоизменяет описанную выше с первой, более глубокой КЯ, тогда как состояния с картину, о чем будет сказано далее.

энергиями 2 и 3 возникают из-за наличия второй, более широкой КЯ. Это приводит, в частности, к Методика эксперимента тому, что волновая функция первого состояния в основном локализована в пределах первой ямы, а волновая Электрооптические измерения проводились при темфункция второго состояния локализована в яме 2 (см.

пературе T0 = 80 K. Электрическое поле прикладыварис. 1). Кроме того, значения оптических матричных лось вдоль слоев квантово-размерной структуры с помоэлементов |Mik|2 = | pzidz|2, определяющих веро k щью омических контактов из Au, нанесенных на торцы ятности оптических переходов между i и k уровнями, пластины. Длительность импульса электрического поля сильно отличаются. Наибольший вклад в межподзонное составляла 200 нс. Оптическое излучение в структуру поглощение дают переходы между соседними уровнявводилось через скошенные края пластины и испытывало ми, генетически связанными с одной и той же КЯ:

в ней ряд внутренних отражений. Такая геометрия опыта |M13|2 = 0.16, |M23|2 = 1, |M14|2 = 0.89, |M24|2 = 0.позволяла исследовать поглощение и преломление света (в произвольных единицах).

как s-, так и p-поляризаций (см. рис. 2). Схема элекФизика явления модуляции коэффициента поглощения трооптических измерений приведена на рис. 2. Исслев продольном электрическом поле в такой структуре довалось изменение поглощения излучения CO2-лазера заключается в следующем. При температуре решетки на длине волны = 10.6 мкм. Вектор поляризации T0 = 77 K все электроны сосредоточены на первом падающего излучения e составлял угол = 45 с осью энергетическом уровне 1. Продольное электрическое OX, так что падающая волна содержала как s-(e OX)-, поле, разогревая электроны, приводит к заполнению так и p-(e OX)-поляризации. Изменение поглощевышележащих состояний этого уровня (подзоны). В рения света квантово-размерной структурой в продольном зультате становятся возможными переходы электронов электрическом поле регистрировалось фотоприемником во вторую подзону 2 вследствие рассеяния на фононах Ge Hg при азимутальных углах анализатора = или примесях. Увеличение концентрации электронов во (s-поляризация) и 90 (p-поляризация). Наряду с ампливторой подзоне приводит к возникновению (существен- тудной модуляцией мы измеряли и фазовую модуляцию, ному увеличению) поглощения на переходах 2 3.

обусловленную анизотропным изменением показателя Увеличению коэффициента поглощения 23 способству- преломления структуры в электрическом поле. Инфорет также выполнение условия 2 - 1 < 0, что мацию о сдвиге фаз между s- и p-компонентами световой уменьшает вероятность обратного рассеяния электронов волны можно было получить, измеряя сигнал на выходе со второй подзоны в первую с испусканием оптического при других значениях угла : 0 < <90.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 854 Л.Е. Воробьев, И.Е. Титков, А.А. Торопов, В.Н. Тулупенко, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин...

Результаты эксперимента и их обсуждение С целью уточнения параметров структуры и положения энергетических уровней мы исследовали равновесные спектры коэффициента поглощения. Результаты для двух температур решетки приведены на рис. 3. Спектры состоят из двух ярко выраженных полос поглощения.

Спектральное положение полос позволяет связать длинноволновую полосу с переходами 1 3 и 2 3, а коротковолновую полосу с переходами 1 4 и 2 4, причем пики, соответствующие переходам с и 2 уровней, слились. Мы объясняем температурную зависимость интенсивностей полос следующим образом. При температуре 80 K электроны сосредоточены в основном на первом уровне размерного квантования 1.

С ростом температуры происходит заполнение второго уровня 2. Однако в силу соотношения между маРис. 4. Зависимость изменения коэффициента поглощения тричными элементами M23 M12 даже незначительное света p-поляризации от напряженности продольного электриувеличение концентрации электронов на втором уровне с ческого поля. T = 80 K. = 10.6мкм.

ростом температуры приводит к заметному увеличению поглощения. Поскольку поглощение в пределах второй полосы определяется практически только электронами первого уровня (M14 M24), небольшое уменьшение В спектральной области, соответствующей межподконцентрации электронов на этом уровне при увеличезонным переходам, в силу выполнения правил отбора нии температуры слабо влияет на интенсивность поглопо поляризации падающего излучения квантовые ямы щения во второй полосе.

обладают сильной оптической анизотропией. Вследствие На рис. 4 приведена зависимость изменения коэффициэтого, даже в отсутствие электрического поля, показаента поглощения структуры от напряженности продольтели преломления для волн s- и p-поляризации отличаного электрического поля. Как и следовало ожидать, изются. В электрическом поле эта разница в показателях менение поглощения наблюдается только для излучения преломления изменяется. Пояснить это явление можно, p-поляризации, которая является активной для оптиченапример, с помощью соотношения Крамерса–Кронига:

ских межподзонных переходов. Модуляционная кривая состоит из двух участков: нарастание в относительно c ( )d n = |(np - ns)| =. (1) слабых электрических полях и незначительный спад в 2 - области больших полей.

На рис. 5 приведена экспериментально определенная зависимость n от напряженности электрического поля.

Поведение этой кривой сходно с поведением зависимости p(E).

Обсудим характер наблюдаемых зависимостей. Исследуемые нами структуры были селективно легированы. Вследствие возникновения поля объемного заряда электронов, локализованных в КЯ, и примесных ионов, находящихся в барьере, потенциал КЯ искажается. Точное распределение потенциала в пространстве может быть получено с помощью самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона. В данной работе мы ограничимся только качественным описанием. Примерный вид потенциала КЯ с учетом эффектов объемного заряда приведен на рис. 6. Искажение потенциального рельефа приводит к понижению энергии уровней 2 и 3 и к уменьшению энергетического расстояния между уровнями 1 и 2. Возможно, сближением этих уровней до энергий порядка 10 мэВ объясняется слияние пика 1 3 с пиком 2 3, а также пика 1 4 с пиком Рис. 3. Равновесные спектры поглощения. 2 4 в равновесных спектрах поглощения (см. рис. 3).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Поглощение и преломление света при межподзонных переходах горячих электронов... Рассмотрим явления, возникающие в греющем электрическом поле. В отсутствие поля электроны находятся на первом уровне 1 и пространственно локализованы в первой КЯ. Разогрев электронов электрическим полем приводит к увеличению их средней энергии. Вследствие рассеяния на акустических фононах, примесях и шероховатостях гетерограниц электроны из первой подзоны переходят во вторую подзону размерного квантования, что приводит к росту коэффициента поглощения на переходах 2 3. Схематично этот процесс отображен на рис. 6. Заполнением второй подзоны в электрическом поле объясняется участок роста коэффициента поглощения на рис. 4. Но наряду с механизмом, обеспечивающим рост коэффициента поглощения, в сильных полях начинают проявляться и конкурирующие факторы. Как уже упоминалось, электроны, занимающие второй энергетический уровень, в значительной степени локализованы во второй КЯ, тогда как электроны с энергией 1 находятся в первой КЯ. Таким образом, при переходах электронов в электрическом поле с первого на второй уровень происходит их перераспределение в реальном пространстве, причем это перераспределение соответствует уменьшению пространственного заряда.

Изгиб потенциала уменьшается, что приводит к тому, что уровни 2 и 3 начинают возвращаться к положению, определенному прямоугольным потенциалом. Положение 2 и 3 подзон в электрическом поле показано на рис. 6 штрихпунктирной линией. Такой сдвиг уровня 2 в Рис. 6. Иллюстрация к предложенной модели наблюдаемых электрическом поле уменьшает долю активных электро- явлений: a — ход потенциала с учетом объемного заряда;

b — зависимость подвижности от напряженности электриченов этого уровня, дающих вклад в поглощение. Действиского поля; c — разогрев и пререраспределение электронов тельно, вклад в поглощение 2 3 дают практически между 1 и 2 подзонами в электрическом поле E.

только электроны, находящиеся под уровнем энергии оптического фонона 0. Из-за сильного рассеяния с испусканием оптического фонона и переходом электрона обратно в первую зону число электронов с энергией чественный вид неравновесной функции распределения > 0 мало. Для иллюстрации на рис. 6 приведен каf (), которая резко уменьшается при энергиях > 01.

Уменьшение доли поглощающих свет электронов приводит к уменьшению роста коэффициента поглощения с полем. Кроме этого в сильных полях проявляется также более сильный разогрев электронов во второй подзоне по сравнению с первой. Это связано с относительным ослаблением роли рассеяния на несовершенствах интерфейсов (гетерограниц) во второй, более широкой яме.

Увеличение средней энергии во второй подзоне приводит к интенсивному рассеянию с испусканием оптических фононов с переходом электронов обратно в первую подзону, что приводит к насыщению и даже небольшому спаду поглощения в сильном электрическом поле, что и было зарегистрировано в эксперименте (см. рис. 4).

Подтверждением роли переноса электронов в реальном пространстве в рассматриваемых явлениях является поведение подвижности электронов в сильном поле, приведенное на рис. 6. Малое значение подвижности в В условиях сильного рассеяния на оптических фононах неравРис. 5. Зависимость изменения разности показателей прелоновесная функция распределения может быть представлена в виде мления света s- и p-поляризации от напряженности продольнодвух отрезков больцмановских функций с различными температурами, го электрического поля. T = 80 K. = 10.6мкм. сшитых при энергии оптического фонона 0.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 856 Л.Е. Воробьев, И.Е. Титков, А.А. Торопов, В.Н. Тулупенко, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин...

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.