WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 10 Разность потенциалов и фотовольтаический эффект, возникающие вследствие деформации волновой функции электрона в GaAs-квантовой яме с тонким AlGaAs-барьером © Ю. Пожела, К. Пожела Semiconductor Physics Institute, 2600 Vilnius, Lithuania (Получена 23 марта 1998 г. Принята к печати 28 марта 1998 г.) Рассчитано изменение спектра и деформации волновой функции электронов в GaAs-квантовой яме при введении в нее тонкого AlGaAs-барьера. Вычислена разность потенциалов, возникающая на квантовой яме вследствие деформации волновой функции электронов, и ее зависимость от положения барьера в квантовой яме. Определены фотовольтаический отклик в структуре на оптическое межподзонное возбуждение, роль деформации волновой функции и спектра электронов, а также межподзонных безызлучательных переходов в его образовании. Рассмотрена пригодность использования GaAs-квантовой ямы с тонким барьером в качестве структуры для детектирования инфракрасного излучения.

1. Введение Расчеты разности потенциалов на КЯ и фотовольтаического отклика, обусловленного деформацией волноБольшой интерес к исследованию свойств двухмерно- вой функции, проведены на примере КЯ в структуре го электронного газа в связанных квантовых ямах (КЯ) Al0.3Ga0.7As/GaAs/Al0.3Ga0.7As с тонким (один-два моновызван возможностями направленного регулирования в слоя) AlGaAs-барьером.

них спектра энергии и скоростей рассеяния электронов, оптических параметров структур с помощью изменения 2. Напряжение, возникающее формы КЯ и связи между КЯ. Связанные КЯ ставследствие деформации волновой ли основой многих полупроводниковых электронных и функции электрона оптоэлектронных приборов. На основе таких структур созданы лазеры инфракрасного (ИК) диапазона [1–3], в GaAs-квантовой яме приемники ИК излучения [4,5], элементы нелинейной с тонким AlGaAs-барьером оптики [6], быстродействующие транзисторы [7].

В настоящей статье рассмотрены новые явления, обВведение в двухмерную КЯ тонкого барьера, раздеусловленные деформацией волновой функции электрона ляющего ее на две неравные части, изменяет спектр в квантовых ямах, разделенных столь тонким барьером, энергии электронов в КЯ и деформирует волновые что энергетические уровни и волновые функции элек- функции электрона, приводя к нарушению симметрии тронов оказываются общими для обеих КЯ. Рассматри- распределения их заряда в КЯ.

вается асимметрия поляризации электронного заряда в Рассмотрим эти явления на примере конкретной гетеКЯ при введении в нее тонкого барьера и связанное роструктуры Al0.3Ga0.7As/GaAs/Al0.3Ga0.7As с шириной с ней возникновение на КЯ разности потенциалов и GaAs-КЯ L = 20 нм, в которую введен в плоскости фотовольтаического эффекта.

z = lb тонкий, толщиной d = 1нм, Al0.3Ga0.7As-барьер.

Фотовольтаический эффект в связанных КЯ наблюда- Схема структуры показана на рис. 1. Волновые функции ется в структурах, когда электронные состояния форми- и энергии электронов вычисляются путем численного руются в разделенных толстым потенциальным барьером решения уравнения Шредингера. Полагается, что высота КЯ. Толстый барьер между КЯ препятствует возвращению разнесенных по координате фотовозбужденных электронов в нейтральное положение путем туннелирования сквозь барьер, что обеспечивает большую величину фотовольтаического отклика структуры и возможность ее использования для детектирования ИК излучения [4,8,9]. В структуре с тонким разделяющим барьером фотовольтаический отклик возможен, если найдена альтернатива толстому барьеру для обеспечения конечного времени релаксации фотовозбужденных электронов в Рис. 1. Потенциал дна зоны проводимости КЯ равновесное состояние. В статье в качестве такой альAlGaAs/GaAs/AlGaAs шириной L с тонким AlGaAs-барьером тернативы рассматривается возможность радикального толщиной d, расположенным в плоскости lb; U0 — высота уменьшения с помощью введения в КЯ тонкого барьера гетеробарьера; z — координата в направлении роста скорости межподзонных безызлучательных переходов. гетероструктуры.

Разность потенциалов и фотовольтаический эффект, возникающие вследствие деформации... оказываются частично в нижней подзоне узкой части КЯ.

Электроны уровня E3, который при lb = 5.0нм очень близок к уровню E2, оказываются в основном на уровне нижней подзоны узкой части КЯ.

Наконец, при lb = 7.5 нм электроны первого (E1) и третьего (E3) уровней энергий оказываются соответственно в первой и второй подзонах широкой части КЯ, Рис. 2. Зависимость от положения AlGaAs-барьера lb в GaAS-КЯ шириной L = 20 нм первых трех энергетических уровней электронов E1, E2, E3 в КЯ(слошная линия), энергий дна первой и второй подзон в широкой (правой) (штрихпунктирная) иузкой(левой) (штриховая) частях КЯ. При lb 4нм меняются типы подзон на уровнях E2 и E3.

гетеробарьеров U0 = 0.3 эВ и эффективные массы электронов равны m = 0.067 в слое GaAs и m = 0.27 в слое AlGaAs.

Вычисленный спектр энергий электронов (E) в такой КЯ показан на рис. 2. Показаны первые три уровня.

Энергии уровней в зависимости от координаты барьера в КЯ определяются положением дна различных подзон в связанных КЯ. В этом состоит радикальное изменение характера спектра электронов в КЯ, вносимое введением в нее барьера. Энергия E1 первого (нижнего) уровня соответствует энергии дна нижней подзоны электронов в широкой части разделенной КЯ. Второй уровень энергии E2 в КЯ только в области lb < 5.0 нм определяется энергией дна второй подзоны электронов в широкой части КЯ. При lb > 5.0 нм второй уровень энергии в КЯ соответствует энергии дна первой (нижней) подзоны в узкой части КЯ, которая оказывается ниже, чем энергия дна второй подзоны в широкой части КЯ. В результате второй уровень энергии E2 приближается к первому уровню E1 с увеличением координаты барьера lb. Аналогично третий уровень E3 при lb < 5.0нм соответствует дну первой подзоны в узкой части КЯ, а при lb > 5.0 нм — дну второй подзоны широкой части КЯ.

Волновые функции электронов на уровнях E1, E2, Eсоответствуют волновым функциям в подзонах, отвественных за формирование уровня. На рис. 3 показаны квадраты амплитуд волновых функций |ei|2 на уровнях энергии Ei при трех характерных положениях введенного в КЯ барьера: lb = 2.5, 5.0, 7.5 нм. При lb = 2.5нм электроны на нижних двух уровнях находятся в подзонах Рис. 3. Квадраты амплитуд волновых функций электроширокой части КЯ и происходит сдвиг области заряда нов |ei|2 в зависимости от координаты z на первом (нижэлектронов в эту часть КЯ. При lb = 5.0нм только нем)(1), втором (2) и третьем (3) уровнях энергии в GaAs-КЯ электроны первого уровня E1 остаются в нижней подзоне (L = 20 нм) при положениях AlGaAs-барьера lb = 2.5 (a), широкой части КЯ. Электроны второго уровня E2 5.0 (b) и 7.5 нм (c).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1248 Ю. Пожела, К. Пожела а на втором уровне (E2) все электроны переходят в КЯ повторяет картину в левой части с обратным знаком.

первую подзону узкой части КЯ. Как видим, смещение При T = 293 K сказывается заселенность третьего тонкого барьера в КЯ вносит существенную асимметрию уровня, максимум VL уменьшается и смещается в область в распределение электронного заряда на уровнях КЯ, что меньших lb, lb < 5нм.

ведет к формированию разности потенциалов на КЯ. Максимальное значение VL достигается при таком Положим, что структура однородно легирована доно- положении lb, когда начинается заполнение электронарами. Ионизированные доноры определяют равномерно ми второго уровня нижней подзоны узкой части КЯ.

распределенный по сечению КЯ положительный заряд. Если второй и третий уровень энергии не заполнены Решение уравнения Пуассона дает для напряжения, (n02 = n03 = 0), то VL растет, пока lb не приближается возникающего в КЯ вследствие деформации волновых к центру КЯ (см. рис. 4). Отметим, что напряжение функций электронов на трех уровнях в КЯ, следующее VL растет с увеличением легирования Nd и ширины выражение: КЯ. Потенциал VL наблюдать в стационарном режиме невозможно из-за релаксации во времени (t) заряда, Lиндуцированного на КЯ: VL exp(-t/RC), где R и |e| L2 - L1 3 n0i VL = Nd(L2 - L1) - Fi(z)dz, (1) C — сопротивление растекания и емкость, связанные с 1 2 Nd i=КЯ. Поэтому VL проявляется лишь при динамическом Lвозмущении электронного газа в КЯ. Такие возмущения где могут быть вызваны внешними электромагнитными поz лями, оптическим межподзонным перебросом электроFi(z) = ei(z ) 2dz. (2) нов. Измерение возмущения VL может быть использовано Lдля индикации заполнения подзон электронами в сильно Здесь e — заряд электрона, 1 — диэлектрическая про- связанных квантовых ямах.

ницаемость GaAs, Nd — концентрация ионизированных доноров, n0i — равновесная концентрация электронов на 3. Фотовольтаический эффект уровне Ei; L1 и L2 — координаты краев КЯ, охватываюв GaAs-квантовой яме щие области проникновения электронов в слои AlGaAs.

с AlGaAS-барьером На рис. 4 показана зависимость VL от lb в рассматриваемой гетероструктуре при Nd(L2 - L1) =8 · 1015 м-2.

Пусть с помощью оптического возбуждения n элекКак видим, напряжение VL отражает процесс деформации тронов с первого энергетического уровня E1 перебрараспределения зарядов внутри КЯ при введении в нее сываются (прямо или через третий уровень) на втобарьера. Электронный заряд заселенных при 77 K первых рой уровень E2. Тогда на гетероструктуре возникает двух подзон смещается в сторону широкой части КЯ фотовольтаический сигнал Vpv, который равен разности пока lb 5.0нм. При lb 5.0 нм электроны второго напряжений VL (1) в отсутствие и при наличии переброса уровня (n02) возвращаются в узкую часть КЯ (рис. 3).

n электронов, В результате VL уменьшается с дальнейшим сдвигом барьера к центру КЯ, достигая нуля, когда барьер окаL2 z зывается в центре. Зависимость VL от lb в правой части |e| Vpv = n e1(z ) 2 - e2(z ) 2 dz dz. (3) L1 LОтметим, что напряжение Vpv прямо пропорционально n и не зависит от температуры и уровня легирования Nd. На рис. 5 приведена зависимость Vpv от положения барьера в КЯ при n = 8 · 1014 м-2. Зависимость Vpv от lb отражает характер деформации волновых функций электронов. Vpv возникает при lb 5.0нм, когда электроны второго уровня энергии начинают переходить из широкой в узкую часть КЯ, достигая максимального значения при lb 7.5 нм, когда электроны первого и второго уровней собираются в разных частях КЯ (см. рис. 3) и имеет место максимальная поляризация электронного газа в КЯ.

Рассмотрим условия оптического переброса электроРис. 4. Зависимость разности потенциала VL, обусловленной нов с уровня E1 на уровень E2 и возможности испольдеформацией электронной волновой функции в GaAs-КЯ, от зования рассматриваемой структуры в качестве фотоположения барьера lb при T = 293 (1) и 77 K (2). Штриховая линия — величина VL в предположении заполнения электрона- вольтаического детектора оптического излучения. Расми только нижнего уровня энергии E1, n02 = n03 = 0. смотрим структуру с барьером в плоскости lb = 7.5нм, Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Разность потенциалов и фотовольтаический эффект, возникающие вследствие деформации... связанных (несимметричных) КЯ увеличение времени жизни электронов на втором уровне достигается путем увеличения толщины барьера между КЯ и тем самым снижения скорости туннелирования электронов сквозь барьер со второго на первый уровень [4]. В структурах с толстым барьером первый и второй уровни, соответствующие трехуровневой модели, находятся в разных КЯ.

В рассматриваемой нами структуре с тонким разделяющим барьером первый и второй уровни являются общими для обеих КЯ и частота W21 определяется частотой безызлучательных переходов между этими уровнями.

Расчеты скорости межподзонных переходов в GaAS-КЯ показывают, что доминирующим механизмом, ответственным за такие переходы, является рассеяние Рис. 5. Фотовольтаический отклик Vpv на переброс электронов путем эмиссии (поглощения) полярных n = 8 · 1014 м-2 электронов с уровня E1 на уровень E2 в оптических фононов [10,11]. Расчеты скоростей зависимости от положения AlGaAs-барьера lb.

рассеяния в GaAs-КЯ с тонким AlGaAs-барьером, выполненные в приближении диэлектрического континуума с учетом взаимодействия электронов когда фотовольтаическое напряжение максимально. В с захваченными и поверхностными полярными этой структуре оптические переходы между уравнями оптическими фононами при T = 77 K показали, что E1 и E2 запрещены: интеграл перекрытия волновых частоты переходов при положении AlGaAs-барьера в L области 5 < lb < 15 нм, когда Ek+E2-E1 < 0, а Ek+Eфункций электронов e1e2dz равен нулю. Поэтому 0 -E2 > 0 (где Ek = 6.6 мэВ — кинетическая энергия оптический переброс электронов с уровня E1 на уровень электрона при 77 K и 0 = 36.2мэВ — энергия E2 происходит через третий уровень E3. При lb = 7.5нм оптического фонона в GaAs) равны: W21 = 3 · 109 с-1, E3 -E1 = 65 мэВ. Это значит, что структура может быть W31 = 1 · 1012 с-1 и W32 = 3 · 1012 с-1. Если энергия детектором инфракрасного излучения в диапазоне длин переходов E2 - E1 > 0, то W21 > 1012 с-1. Снижение волн 5 19 мкм.

почти на 3 порядка частоты W21 при введении барьера в После переброса на уровень E3 электроны безызлучацентральную область КЯ обусловлено энергетическим тельно переходят на второй и первый уровни. Обозначив запрещением электронных переходов с эмиссией через Wi j частоту безызлучательных переходов между iоптических фононов.

и j-уровнями, из уравнения баланса переходов в трехТаким образом, введение барьера в КЯ сохраняет уровневой системе получаем для числа переброшенных большое значение частоты рассеяния W32, резко снижает электронов с первого на второй уровень КЯ рассеяние W21, позволяя увеличить время жизни электронов в переброшенном состоянии до 0.2 пс, что сравнимо W32 P n =, (4) со временем жизни в структурах с толстым барьером W21(W31 + W32) hмежду КЯ.

где P — мощность оптического излучения, поглощен- Подставляя полученные значения W32, W31 и W21 в (5), ного в КЯ, и h13 — квант энергии перехода между получаем для фотовольтаического отклика на поглощенуровнями E1 и E3. Подставив (4) в (3), получаем ную мощность в КЯ с тонким барьером при lb = 7.5нм для величины фотовольтаического отклика детектора Vpv/P = 8.8 В/Вт. Это несколько ниже, чем в детекторах излучения с толстым барьером.

Отметим, что структура с тонким барьером допускает Vpv |e| Wобратный оптический переброс с уровней E2 на E= P 1 W21(W31 + W32)hчерез уровень E3. Хотя интеграл перекрытия волновых LL2 z функций (23)dz при lb > 7 нм стремится к нулю, L e1(z ) 2 - e2(z ) 2 dz dz. (5) величина фотовольтаического отклика в структуре с L1 Lположением барьера в плоскости lb 6 нм оказывается Для повышения величины фотовольтаического откли- больше, чем в рассмотренном выше случае с прямым ка следует увеличивать W32 (что также увеличивает бы- оптическим переходом.

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.