WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 12 Межподзонное поглощение света в селективно легированных асимметричных двойных туннельно-связанных квантовых ямах ¶ + © В.Л. Зерова, В.В. Капаев, Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, S. Schmidt, Е.А. Зибик, A. Seilmeier, E. Towe= Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия + Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия Institute of Physics, University of Bayreuth, Germany = Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA 15213, USA (Получена 14 мая 2004 г. Принята к печати 24 мая 2004 г.) Изучен спектр равновесного межподзонного поглощения в селективно легированных асимметричных двойных туннельно-связанных квантовых ямах, предназначенных для исследования модуляции инфракрасного излучения в продольном электрическом поле. Проведено сравнение рассчитанных и экспериментальных спектров при разных температурах. В расчетах учтено влияние объемного заряда на энергетический спектр электронов, а также различие эффективных масс электронов в разных подзонах. По результатам исследования спектров межподзонного поглощения в равновесных условиях и при возбуждении электронов мощными пикосекундными импульсами излучения среднего инфракрасного диапазона уточнен энергетический спектр электронов в реальной структуре.

1. Введение 2. Объект исследования Интерес к оптическим межподзонным переходам элек- Исследования поглощения проводились в структуре, содержащей 150 пар АТСКЯ. Структура была вытронов в квантовых ямах (КЯ) отчасти связан с соращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии на зданием новых оптоэлектронных приборов на КЯ средполуизолирующей подложке GaAs. Пары ям разделенего инфракрасного (ИК) диапазона: униполярных безны туннельно-непрозрачными барьерами Al0.42Ga0.58As, инжекционных лазеров, фотодетекторов, модуляторов центральные части которых селективно легированы приИК излучения. Асимметричные туннельно-связанные месью Si, так что поверхностная концентрация элекКЯ (АТСКЯ) открывают большие возможности для тронов в КЯ составляет ns = 3 · 1011 см-2. Одна из конструирования приборов. Так, АТСКЯ используются туннельно-связанных КЯ образована слоем GaAs толкак рабочая область в квантовых каскадных лазерах [1], щиной 5 нм, другая — слоем Al0.06Ga0.94As толщив фонтанных лазерах с внутризонной оптической накачной 7.5 нм, толщина туннельно-прозрачного барьера кой [2], в быстродействующих модуляторах ИК излучеAl0.42Ga0.58As между ними — 2.5 нм (рис. 1).

ния [3,4].

Энергетический спектр и волновые функции электроИсследованные в настоящей работе АТСКЯ (рис. 1) нов с учетом эффектов пространственного заряда были предназначены для изучения модуляции ИК излучеполучены с помощью самосогласованного решения уравния в сильных продольных электрических полях. При нения Шредингера и Пуассона. Согласно расчетам, сиразогреве электронов продольным полем происходит их стема туннельно-связанных КЯ имеет 5 энергетических перераспределение в реальном пространстве, а именно:

горячие электроны из подзоны e1 узкой ямы могут туннелировать в широкую яму, заполняя подзону e2.

Вследствие увеличения концентрации электронов в подзоне e2 широкой ямы должен увеличиться коэффициент поглощения света для межподзонных переходов e2 e3.

Как первый этап в настоящей работе изучаются спектры межподзонного поглощения в селективно легированных АТСКЯ, что позволяет найти энергетический спектр электронов.

Рис. 1. Профиль потенциала, уровни энергии ei и плавные огибающие волновых функций электронов на уровнях ¶ E-mail: VZerova@rphf.spbstu.ru в АТСКЯ.

1456 В.Л. Зерова, В.В. Капаев, Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, S. Schmidt, Е.А. Зибик, A. Seilmeier...

уровней. Уровни e1 и e4 связаны с узкой КЯ, а уровни eи e3 — с широкой. Поэтому волновая функция электрона в подзоне e1 практически полностью локализована в пределах узкой ямы, в то время как волновая функция электрона в подзоне e2 локализована в основном в широкой яме (рис. 1). Это означает, что в условиях равновесия большая часть электронов сосредоточена в узкой КЯ. Уровень e5 является связанным состоянием квантовой ямы в широком барьере, которая возникает вследствие искажения объемным зарядом потенциала структуры.

При температуре T = 80 K найденные энергии уровней таковы: E1 = -5.65 мэВ, E2 = 5.13 мэВ, E3 = 138.95 мэВ, E4 = 236.59 мэВ, E5 = 265.23 мэВ (отсчет ведется от уровня химического потенциала).

Найденные значения оптических матричных элементов координаты в z -направлении z = (z ) z i(z ) dz, ij j описывающих вероятности межподзонных оптических переходов ei ej, (где i(z ) и j(z ) — плавные огибающие волновых функций электрона в начальном и конечном состояниях) составляют z = 0.165 нм, z = 2.12 нм, z = 1.26 нм, z = 0.52 нм. Наибольший 23 14 вклад в межподзонное поглощение дают переходы между уровнями, связанными с одной и той же КЯ, волновые функции которых хорошо перекрываются. Поэтому для разных пар уровней z сильно различаются:

ij z z, z > z.

23 13 14 3. Экспериментальное исследование межподзонного поглощения света Рис. 2. Экспериментально полученные спектры поглощения и изменения поглощения при мощном межподзонном возбуЭкспериментально полученные равновесные спектры ждении структуры с АТСКЯ (MQW). На вставке —геометрия поглощения ( )L ( — частота света, L — эффективопыта по исследованию поглощения поляризованного света.

ный оптический путь, — коэффициент поглощения) в a — спектры поглощения L в равновесии при T = 14 K, данной структуре при разных температурах приведены (сплошная линия), 80 K (штриховая), 300 K (пунктирная).

на рис. 2, a. Поглощение света p-поляризации изучаb — спектр изменения поглощения - L при межподзонном лось с помощью фурье-спектрометра. Геометрия опыта возбуждении на частоте максимума длинноволнового пика показана на вставке к рис. 2, a. Спектры состоят из равновесного поглощения при T = 80 K (точки) иравновесный двух полос поглощения. Спектральное положение полос спектр поглощения L при той же температуре (сплошная позволяет связать длинноволновую полосу с переходами линия).

e1 e3 и e2 e3, а коротковолновую полосу с переходами e1 e4 и e2 e4. Пики, соответствующие переходам с уровней e1 и e2, не разрешаются спектрально.

ном межподзонном возбуждении электронов (рис. 2, b) Отметим, что в процессе исследования спектра коэфпри 80 K. Эксперименты были проведены методом спекфициента поглощения нам пришлось скорректировать троскопии „pump and probe“ (накачка-зонд) с пирассчитанные первоначально параметры КЯ, так как косекундным разрешением. Мощный импульс накачони не соответствовали экспериментально полученному ки (pump) на частоте максимума длинноволнового пика спектру поглощения. В частности, из анализа эксперавновесного поглощения (125 мэВ) возбуждал носитериментально найденного спектра следует, что расстояли заряда с уровня e2 (и в меньшей степени с e1) на ние между уровнями e1 и e2 значительно меньше заданного значения 24 мэВ. Мы предполагаем, что ре- уровень e3. Слабый зондирующий импульс (probe) фикальные параметры выращенных КЯ отличаются от рас- сировал изменение поглощения при таком возбуждении считанных. Выше были приведены скорректированные в разные моменты времени, его частота перестраивалась значения параметров. в области полос поглощения. При этом наблюдалось Энергию мы уточнили, анализируя спектры изме- просветление в области как длинноволнового пика, так нения (уменьшения) поглощения, - ( ) L, при мощ- и коротковолнового пика, соответствующего переходам Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Межподзонное поглощение света в селективно легированных асимметричных двойных... kна уровень e4. Кроме того, в спектре наблюдалась kj i Ei = E0i +, Ej = E0 j +, (2) область с максимумом при энергии 102 мэВ, в которой 2mi 2mj неравновесное поглощение больше равновесного.

Энергия 102 мэВ соответствует частоте переходов где ki и kj — двумерные волновые вектора электроe3 e4, равной /. Это позволяет предполагать, 34 на в подзонах ei и ej (ki = |ki |, k = |kj|); -символ j что поглощение на этой частоте является фотоиндуКронекера выражает закон сохранения волнового векцированным и связано с переходом фотовозбужденных тора ki kj k, i(z ) и j(z ) — плавные огибающие электронов с уровня e3 на уровень e4. Основываясь волновых функций электрона в начальном и конечном на соотношении величин оптических матричных элесостояниях; f (Ei), f (Ej) — фермиевские функции i j ментов z z и z > z, можно полагать, что 23 13 14 распределения электронов в подзонах ei и ej; — частота максимума длинноволнового пика равновесного высокочастотная диэлектрическая проницаемость GaAs поглощения соответствует частоте перехода e2 e(полагаем, что показатели преломления материалов ямы (т. е. равна / ), а частота максимума коротковолновои барьера имеют близкие значения); c — скорость света го пика — частоте перехода e1 e4 (т. е. равна / ).

в вакууме; e — заряд электрона; ez — компонента Зная энергии и, а также энергию, можно вы14 23 вектора поляризации ep в направлении z ; S — плочислить расстояние между первым и вторым уровнями:

щадь структуры; m0 — масса свободного электрона;

= - - 237 - 125 - 102 10 мэВ.

12 14 34 mi, mj и Ei, Ej — эффективные массы и энергии Определенное при 80 K значение энергии = электронов в начальных и конечных состояниях; E0i, =(10 ± 1) мэВ достаточно хорошо согласуется с друE0 j — энергии дна подзон ei и ej; pz — оператор гими особенностями экспериментального равновесного спектра поглощения. В частности, при таком значе- импульса в z -направлении, матричный элемент которого нии и уширении полосы поглощения 10 мэВ может быть выражен через дипольный момент перехода:

пики поглощения, связанные с переходами e1 e( pz )ij = iijm0z. Подставляя его в (1) и заменяя сумij и e2 e4, не разделяются спектрально, хотя матричные мирование по k на интегрирование, для коэффициента элементы данных переходов различаются всего в 2 раза.

межподзонного поглощения получаем Подбирая параметры КЯ, при которых 10 мэВ, мы увеличили толщину туннельно-прозрачного барьера 42e2ij на 0.5 нм, уменьшили ширину широкой КЯ на 0.8 нм, ij( ) = cos2 · z ij cSL а также уменьшили заданное первоначально содержание Al в широкой КЯ с 10 до 6%.

2S f (Ei) - f (Ej) Ej - Ei - dk, (3) При варьировании положения дна широкой ямы мы j (2)2 i следили за поведением оптических матричных элементов. Оказалось, что при некотором составе материагде ij =(Ej - Ei)/ — частота межподзонного перехола широкой КЯ матричный элемент перехода e1 eда ei ej, зависящая в общем случае от k (k = |k|);

z может стать равным нулю. В нашей структуре — угол между вектором поляризации и осью z.

матричный элемент z действительно очень мал, так Спектральное уширение пика поглощения для межкак длинноволновый пик не разделяется на два для переподзонного перехода ei ej можно учесть, например, ходов e1 e3 и e2 e3 даже при низких температурах.

с помощью функции Лоренца [6]. В некоторых работах (см., например, [7]) предлагается использовать вместо 4. Расчет равновесных спектров функции Лоренца другие более быстро затухающие поглощения при разных функции, поскольку они лучше описывают экспериментемпературах тальные данные. Мы рассчитали спектр поглощения для двух способов учета уширения — по Лоренцу и по Коэффициент поглощения ij( ) света z -поляриГауссу. При учете уширения феноменологически учизации частоты при переходе электронов из состояний тывается возможность вариации частоты перехода ij.

подзоны ei в состояния подзоны ej может быть найден В случае учета уширения по Лоренцу в 1-м порядке теории возмущений аналогично тому, как это было сделано в [5]:

ij( ij) ( /)/ +( - ij)2 d ij i i ij 42eij( ) = ij( ) =, cSL m0 ( /)/ +( - ij)2 d ij i i ij (4) ez k,kj (z ) pz i(z ) dz j i где ij( ij) определяется выражением (3) при замене ki kj ij, 2 — ширина линии на половине высоты i f (Ei) - f (Ej) Ej - Ei -, (1) пика поглощения для переходов ei ej. В случае учета i j 4 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1458 В.Л. Зерова, В.В. Капаев, Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, S. Schmidt, Е.А. Зибик, A. Seilmeier...

Рис. 3. Температурные зависимости величин, определяющих значения коэффициентов межподзонного поглощения в АТСКЯ:

a — энергетическое расстояние между двумя нижними подзонами ; b — оптические матричные элементы z ; c —уровень 12 ij химического потенциала EF; d — распределение электронов между нижними подзонами (концентрации n1, n2).

уширения по Гауссу Изменение температуры приводит к изменению энергетического спектра и волновых функций электронов ij( ) = вследствие изменения влияния на них объемного заряда.

При увеличении температуры увеличивается заполнение электронами подзоны e2, волновая функция которой (1/ ) ij( ij) exp - ( - ij)/ d ij i i ij сосредоточена главным образом в широкой КЯ. Следо=.

вательно, переходя из первой подзоны во вторую, элек(1/ ) exp - ( - ij)/ ) d ij i i троны одновременно перераспределяются в реальном ij (5) пространстве. Это приводит к более равномерному расОтметим, что переходам электронов из подзон e1 и eпределению электронов между ямами и, следовательно, соответствуют разные параметры уширения и.

1 к ослаблению действия объемного заряда. В результате Так как электроны подзон e1 и e2 принадлежат в уровни e2 и e3, связанные с широкой КЯ, смещаются основном квантовым ямам различной ширины, а от относительно уровней e1 и e4, связанных с узкой КЯ.

ширины КЯ зависит столкновительное уширение, опреТаким образом, при изменении температуры электроны деляющее основной вклад в спектральное уширение перераспределяются между уровнями в соответствии с линии поглощения, величины и могут различаться.

1 функцией распределения с учетом изменения энергетиЗависимость уширения от ширины КЯ определяется ческих расстояний между уровнями. Изменение энерглавным образом скоростью рассеяния электронов на гетического спектра приводит к изменению матричных шероховатостях границ КЯ и может быть достаточно элементов z.

ij сильной.

Температурные зависимости энергетического расстоСпектр коэффициента поглощения получается суммияния между двумя нижними уровнями, матричных рованием спектров поглощения (4) или (5) на отдельных элементов z, химического потенциала и концентраций ij переходах:

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.