WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Исследование экситонных характеристик слоистых гетероструктур с квантованным спектром при наличии рельефной поверхности © И.А. Авруцкий, В.Г. Литовченко Институт общей физики Российской академии наук, 117942 Москва, Россия Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина (Получена 12 мая 1996 г. Принята к печати 22 мая 1996 г.) Проведено исследование экситонных характеристик гетероструктур InxGaAs1-x-GaAs в квантовыми ямами при наличии рельефной поверхности. Последняя обеспечивает существенную (до 20%) поляризацию экситонных спектров уже при нормальном угле падения возбуждающего света. На основании данных по фононным повторениям спектров фотолюминесценции рассчитаны величины энергии связи экситонов, значения которых хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Исходя из величин поляризации фотолюминесценции, отражения и пропускания проведены оценки параметров микрорельефа поверхности исследованных слоистых структур.

Введение полуизолирующего GaAs с тонким ( 300 ) буферным слоем GaAs и тонким защитным (200-600 ) слоем Интерес к квантово-размерным структурам с рельеф- GaAs [5–7].

ной поверхностью возрос в последнее время в связи с Измерения проводились в автоматизированном реживозможностью таким способом реализовать одно- или ме при различных температурах и углах падения света нульмерные квантово-размерные структуры, а также с : фотолюминесценции ФЛ (при 77 K, угол падения существенным влиянием естественного или специаль- = 0), модулированного светом пропускания T/T но создаваемого микрорельефа на оптические свойства (при 77 K, = 0), модулированного светом отражения структур с квантовыми ямами (КЯ). Удобным методом R/R ( = 45, при комнатной температуре). Модуисследования влияния рельефа поверхности является ляция производилась He–Ne-лазером ( = 0.63 мкм), изучение поляризации фотолюминесценции (ФЛ), вели- величины сигнала R/R и T/T достигали 2 · 10-3.

чина которой может быть значительной даже при отсут- В области прозрачности мог регистрироваться сигнал ствии изменения энергетического положения и формы с точностью до T/T 2 · 10-5. Эксперименты линий ФЛ. Возникновение и исследование аномальной проведены на образцах, используемых для изготовления поляризации ФЛ в этих условиях, а также теория эф- лазерных структур, с изменением толщины КЯ в диапафекта, основанная на учете анизотропии эффективных зоне 73 93.

масс валентной зоны в случае двумерных квантовых ям, детально описаны в нескольких публикациях [1–5] Экспериментальные результаты применительно в основном к структурам на основе GaAs. Между тем использование чисто оптических Данные ФЛ, модулированного светом пропускания и спектральных методов дает дополнительные возможноотражения в близкраевой области спектра приведены на сти как с методической, так и с физической точки рис. 1. Основной пик ФЛ лежит в области излучения зрения. Действительно, точность фиксирования сигнала свободных экситонов [7,8]. Довольно малая полуширина отражения и пропускания в модуляционном варианте линий (7–20 мэВ) свидетельствует о высоком качегораздо выше, чем в случае ФЛ. Представляют большой стве образцов. Максимум пиков для различных толщин интерес структуры с КЯ на основе тройных соединений квантового слоя располагаются в спектральной области, InxGa1-xAs, позволяющие при сравнительно небольших предсказываемой для соответствующих ширин двумерX создать гетероструктуры, чувствительные к излучению ной запрещенной зоны Eg при указанном компонентном в более длинноволновой области спектра 0.85–1 мкм, составе КЯ [5,8]. В частности, с утоньшением КЯ чем структуры на основе GaAs КЯ, удобные для приема наблюдалось существенное возрастание Eg от 1.2 до излучения кремниевыми детекторами.

1.4 эВ (при достижении d 73 (рис. 2). Зависимость Eg(d) примерно подчинялась закону Eg 1/d.

Тщательное измерение длинноволнового крыла спекМетодика эксперимента тра ФЛ указывает на наличие дополнительного пика Настоящая работа посвящена исследованию экситон- (или ступеньки) (рис. 1, a). Эти особенности связаны ных и поляризационных свойств структур InxGa1-xAs с фононным повторением, поскольку указанные участки (x = 0.16 0.32), выращенных методом газофазной эпи- отстоят от основного максимума спектра ФЛ на велитаксии из металл-органических соединений на подложке чину энергии, совпадающей с энергией поверхностного 876 И.А. Авруцкий, В.Г. Литовченко считать абсолютную величину энергии связи экситона Eex [11–15]:

1/ Eex = EphN, (1) где — динамическая диэлектрическая проницаемость, = 0-, 0 — статическая диэлектрическая проницаемость — есть известные табличные величины, Eph и N определяются из эксперимента. В отличие от традиционного метода данный метод не требует измерений при различных температурах или при электрических полях, предшествующих резрушению экситона. Для двумерных квантовых систем GaAs–AlAs справедливость такого подхода была подтверждена прямыми измерениями энергий экситона по температурному гашению экситонного пика ФЛ [15]. В настоящей работе получены значения Eex для гетероструктур InxGa1-xAs-AlAs с x1 = 0.2 и x2 =0.35. При расчете видны характерные для экситонного состояния участки спектра. По ним могут быть рассчитаны положения экситонного пика, величина которого, с точностью до величины энергии связи экситона, совпадает с шириной запрещенной зоны Eg, т. е. Emax = Eg-Eex Eg. На рис. 2 приведены рассчитанные (согласно работе [8]) зависимости от толщины квантовой ямы d, m(d) и Eg(d), для различных x. Так же приведены экспериментальные данные, полученные для нескольких образцов. Данные для температуры 77 K, полученные из спектров фотолюминесценции, заметно отличаются от теоретических кривых, полученных для комнатной температуры. Данные для комнатной темРис. 1. Экспериментальные спектры, полученные для структур InxGa1-xAs-GaAs с одиночной квантовой ямой.

a — спектры ФЛ при различных значениях x: 1 —0.2; 2 — 0.16; 3 — 0.21; 4 — 0.35. (Температура 77 K). b —спектр модулированного лазерным пучком отражения (температура 300 K, x = 0.21; = 45). c — спектр фотомодулированного пропускания для двух взаимно перпендикулярных ориентаций плоскости поверхности относительно направления поляризации падающего пучка ( = 0; x = 0.02; 300 K).

Рис. 2. Зависимости максимума кривых ФЛ m (1, 2, 3) и харакпродольного оптического фонона Eph = 36 ± 2 мэВ.

терной энергии экситонных спектров отражения и пропускания Из соотношения амплитуд бесфононного пика ФЛ I0 и Eg (1, 2, 3 ) от толщины квантового слоя d для различных однофонного пика I1, N = I1/I0, может быть вычислен величин x = 0.16 (1, 1 ), 0.2 (2, 2 ), 0.35 (3, 3 ). Точки — параметр электрон-фононной связи N, который в адиаэкспериментальные данные по ФЛ при 300 K (расположены батическом приближении слабого электрон-фононного в конце стрелок) и по оптическим спектрам при 77 K (точки взаимодействия позволяет с хорошей точностью рас- расположены вначале стрелок). Сплошные линии — теория [8].

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Исследование экситонных характеристик слоистых гетероструктур с квантованным спекром... ческого микрорельефа. Одним из следствий этого является снятие запрета на непрямые фононные переходы и, как следствие, резкое возрастание безызлучательной рекомбинации, а также увеличение электрон-фононного взаимодействия [2,4]. Для изучения влияния рельефа поверхности представляет интерес использование поляризационных эффектов, чувствительных к микрорельефу, соизмеримому по масштабам с радиусом экситонов.

Детально данный вопрос проанализирован, в частности, в работах [3,4] с использованием спектров ФЛ.

Здесь мы обращаем внимание на возможность проведения измерений с помощью чисто оптических методик (спектров модулированного отражения и пропускания).

Поворачивая образец (ориентированный в данном случае в плоскости [100]) вокруг нормальной оси на относительно линейно поляризованного луча, оказалось возможным фиксировать изменение амплитуды сигнала I, которое в области экситонного резонанса достигало Рис. 3. Зависимость энергии связи экситонов Eex от толщины 20%. При этом энергетическое положение пиков (как и квантового слоя d для различных значений x: 1 —0.2, 2— 0.35;

в работах по GaAs [2–4]) не изменялось (с точностью 1, 2 — температура 77 K; 1, 2 — 300 K. Кривая 1,a получена 1 2 мэВ). Поляризация, рассчитываемая по известной для изолированной квантовой ямы [18], остальные получены формуле P = (I -I)/(I + I), имеет место как в для гетероструктуры на основании работ [8,9]. Верхняя штриобласти основного экситонного перехода, так и в области ховая линия изображает максимально возможное значение для прозрачности (рис. 1, b, 4). Кроме того, поляризация энергии двумерного экситона Eex(2D) =4Eex(3D).

имеет место и при нормальном падении луча, хотя в последнем случае для плоской поверхности поляризация должна отсутствовать. Следовательно, основным пературы были получены из оптических спектров промеханизмом возникновения поляризации является орипускания и отражения. Они хорошо ложатся на теореентированный рельеф поверхности. Для исследованных тические зависимости. Из различия энергий пиков при образцов InxGa1-xAs направление рельефа проходило комнатной температуре и 77 K были получены значения вдоль плоскостей спайности [100].

температурных коэффициентов изменения Eg и Eex.

Экспериментальные данные по измерению поляризаКак видно из рис. 3, кривая Eex(d) имеет более сложции P приведены на рис. 5, из которого видна тенденция ный (немонотонный) характер, нежели предсказывается к увеличению P по мере утоньшения квантовой ямы d по простой теории размерного квантования экситонов, и ускорению роста пленки. Видно также, что наличие когда ожидается рост Eex по закону Eex 1/d [16–18].

дополнительного -слоя германия способствует росту Зависимость Eex(d) существенно замедлялась с уменьрельефа поверхности гетероперехода.

шение d при толщинах КЯ, близких к радиусу экситона Для оценки параметров рельефа мы воспользуемся aex (для исследованных образцов aex 100 ). При дотеоретическими соотношениями, полученными в рабостижении d 0.5aex зависимость достигает максимума тах [3,4]. В них при расчете величины P рассматриваютс последующим резким уменьшением. Как известно [10], такой немонотонный ход обусловлен туннельным проникновением электронного облака в область барьера, т. е. обусловлен делокализацией электронного облака в поперечном направлении. Полученные нами расчетные величины Eex по обсуждаемому здесь ”фононному” методу хорошо согласуются с теоретически предсказанными, следовательно, предлагаемый метод можно считать достаточно надежным.

По мере уменьшения толщины КЯ все более существенным становится роль границ раздела, характеристик пограничного барьера, рассогласованния диэлектрических постоянных, а также электронного и фононного смешивания соответствующих характеристик квантовой ямы и барьера. Важным фактором, облегчающим проРис. 4. Зависимость модулированного пропускания T /T явление названных эффектов, является формирование в от азимутального угла для образца с квантовым слоем технологическом процессе мелкомасштабного геометри- толщиной d = 92 (x = 0.2; 300 K).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 878 И.А. Авруцкий, В.Г. Литовченко ся оптические переходы с участием сильно анизотропной валентной зоны тяжелых дырок. Экситонные переходы в квантовой яме имеют дополнительную специфику, характеризуясь дипольными моментами Pn, которые с случае достаточно узкой КЯ не чувствуют влияния далеко отстоящей симметричной зоны легких дырок. Диполи Pn являются взаимно перпендикулярными и потому для плоской поверхности образца величина Pn не зависит от направления по всей квантовой области. При наличии рельефа модуль Pn остается неизменным, но направление вектора поляризации Pn изменяется, следуя изгибу поверхности. Например, Px = Py = Pz, где Pz —диполь локально перпендикулярный поверхности, P1,x = P1/ 1 + 2 1/2, P1.z = P1/ 1 + 2 1/2, (2) где =z/x h/l — крутизна рельефа, h — высота, l — длина рельефного участка. Величина поляризции P Рис. 6. Сопоставление теоретических зависимостей P() с будет зависеть как от крутизны рельефа, так и от его экспериментальными данными, полученными для структур с формы. Для наиболее естественных (пилообразной или квантовыми слоями для различных величин x: 1 — 0.16, 2 — синусоидальных) форм зависимости P() близки, однако 0.2, 3 — 0.35. Штриховые линии соответствуют симметричноони сильно отличаются для асимметричного рельефа.

му рельефу, сплошные — асимметричному при l1/l2 = 3.

При достаточно большой асимметрии зависимость P() почти совпадает для рельефа различной формы. Была рассчитана зависимость P() для достаточно разумного реального диапазона параметров рельефа (рис. 6). Отмесовпадают, так как для них близким является фактор тим, что кривые для GaAs и InxGa1-xAs для небольших x анизотропии b 0.66.

Соответствующие данные эксперимента нанесены на рис. 6. Из сопоставления их с теоретическими кривыми следует, что размеры рельефа лежат в диапазоне h 5-10, а l 15-50. Отметим также, что для тех образцов, где рельеф был наиболее острым, пик фононного повторения проявлялся более отчетливо.

Заключение В данной работе проанализированы зависимости величин энергии экситонного пика и энергий связи свободных экситонов, полученных из спектрального положения максимумов люминесценции, спектров отражения и пропускания в (экситонной) области спектра от толщины квантовой ямы для пленочных гетероструктур с различным составом x = 0.16-0.35 сплава InxGa1-xAs. Предложен метод расчета энергии связи экситонов по данным оптической спектроскопии при наличии фононных повторений. Для гетероструктур с тонкими квантовыми слоями существенным оказывается влияние микрорельефа, параметры которого оценивались на основе теории, учитывающей анизотропную поляризацию зоны тяжелых дырок.

Рис. 5. Величины поляризации экситонной ФЛ для образцов Работа выполнена при содействии Национального фонс квантовым слоем. Точки — экспериментальные данные для образцов с различным x: 1 — 0.16, 2 —0.2, 3 —0.35 и различ- да научно-технических исследований Украины, а также ными условиями роста пленок (с -слоем Ge при типичной (2 ) Соросовского гранта ISSER, SPU № 062031. Образи высокой (2 ) скорости роста). На вставке — схематическое цы для эксперимента представлены Б.Н. Звонковым изображение эксперимента по измерению поляризации.

(НИФТИ, Н.Новгород).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Исследование экситонных характеристик слоистых гетероструктур с квантованным спекром... Список литературы [1] K. Fujiwaza, N. Tsukada, T. Nakayame. Sol. St. Commun., 69, 63 (1989).

[2] V.G. Litovchenko, A.I. Bercha, D. Korbutyak, V. Gavrilenko, K. Ploog. Thin Sol. Films, 217, 62 (1992).

[3] D.V. Korbutyak, V.G. Litovchenko, L.A. Troschenko, S.G. Krylyuk, T. Grahn, K. Ploog. Semicond. Sci. Technol., 10, (1995).

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.