WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 12 Оптическое отражение и бесконтактное электроотражение от слоев GaAlAs с периодически расположенными квантовыми ямами GaAs © В.В. Чалдышев¶, А.С. Школьник, В.П. Евтихиев, T. Holden Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Brooklyn College of the City University of New York, USA (Получена 25 декабря 2005 г. Принята к печати 28 апреля 2006 г.) В диапазоне энергий фотонов от 1 до 2 эВ проведены исследования оптического отражения и электроотражения от слоев AlGaAs с периодически расположенными квантовыми ямами GaAs различной толщины. Установлено, что спектральная зависимость коэффициента отражения содержит три основных вклада: отражение от границы воздух-среда; интерференционное отражение, обусловленное периодической модуляцией коэффициента преломления из-за различий его значений для материалов ям и барьеров;

отражение, связанное с взаимодействием электромагнитных волн с экситонными состояниями в квантовых ямах. Исследование спектров отражения показало, что эти вклады имеют различные зависимости от температуры, угла падения и поляризации, однако количественное разделение различных вкладов весьма затруднительно. Для выделения в оптических спектрах вклада, обусловленного взаимодействием света с экситонными состояниями, разработан подход на основе бесконтактного измерения спектров оптического электроотражения. Показано, что применение такой методики позволяет определить параметры экситонных состояний в квантовых ямах.

PACS: 78.67.De, 73.21.Fg, 78.40.Fy Взаимодействие электромагнитных волн и экситонных которых являются: 1) преломление и отражение от гравозбуждений в полупроводнике приводит к образованию ницы вакуум-среда, 2) интерференция, обусловленная экситонных поляритонов и резонансному изменению периодической модуляцией коэффициента преломления, оптических свойств среды [1]. Для такого резонанса имеющего различную величину для материалов ям и особый интерес представляет периодическая структура барьеров и 3) резонансное рассеяние и частичное поглос квантовыми ямами, такими, что длина волны, отве- щение света в результате взаимодействия с экситонами чающая основному состоянию экситона в квантовых в области поляритонного резонанса, а также с иными ямах ex = hc/Eexn, удовлетворяет брэгговскому усло- элементарными возбуждениями в среде. Физические вию интерференции электромагнитных волн: ex = 2d, процессы, обеспечивающие два первых вклада, хорогде d — период структуры, Eex — энергия основного шо изучены и описаны в классических монографиях состояния экситона, n — коэффициент преломления (см., например, [18]). Тем не менее отделение этих вкласреды, h — постоянная Планка, c — скорость света в дов от резонансного экситон-поляритонного эффекта вакууме. Теоретический анализ, впервые выполненный представляет собой непростую задачу, поскольку явлев работе [2], показал, что в такой структуре оптически ния интерференции и взаимодействия света со средой не активной является только одна поляритонная мода, сила являются аддитивными и существенным образом зависят осциллятора которой увеличивается пропорционально от фазы электромагнитной волны.

числу квантовых ям. В последующих теоретических В данной работе проведены исследования оптического работах [3–9] был проведен расчет оптических свойств отражения и бесконтактного электроотражения от слоев такого рода структур с учетом таких факторов, как AlGaAs, содержащих систему периодически расположенбезызлучательная диссипация энергии, отклонение паных квантовых ям GaAs. Измерения спектров отражения раметров структуры от точного брэгговского условия, при различных температурах и углах падения света наличие ям с различными ширинами и т. д. Теорепозволили выявить вклады различной физической приротические расчеты получили подтверждение в экспеды. Показано, что применение модуляционной методики риментальных работах, выполненных на структурах с электроотражения является эффективным инструментом периодически расположенными квантовыми ямами в исследования взаимодействия света с электронными возсистемах полупроводниковых соединений II-VI [10–12] буждениями в квантовых ямах в таких структурах.

и III-V [13–17].

Схематическое изображение поперечного сечения исЭкспериментальные исследования показали, что спекследованных образцов дано на рис. 1. Исследовантры оптического отражения структур с периодически ные структуры были выращены методом молекулярнорасположенными квантовыми ямами являются компучковой эпитаксии на установке ЦНА-13. Подложками плексными, поскольку формируются в результате комслужили пластины n-GaAs диаметром 50 мм с ориентабинации нескольких вкладов, наиболее важными из цией (001). Выращивание производилось при темпера¶ E-mail: chald.gvg@mail.ioffe.ru туре 690C и соотношении потоков атомов III/V, равОптическое отражение и бесконтактное электроотражение от слоев GaAlAs с периодически... автоматической перестройки плотности нейтрального фильтра, установленного на выходной щели монохроматора.

На рис. 2 представлены спектры оптического отражения, измеренные при температурах T = 17, 50, и 160 K. Спектры измерены при s-поляризации и угле падения света 43. Во всем диапазоне спектра видна картина, обусловленная интерференцией света из-за периодического изменения диэлектрической проницаемости среды [18]. Главный пик интерференционного отражения (фотонная запрещенная зона) расположен при энергии фотонов Eph 1.54 эВ. Эффективное значение диэлектрической функции исследованной периодической структуры при этой энергии можно оценить с помощью формулы Брэгга:

Br = 2d - sin2, (1) Рис. 1. Схематическое изображение исследованной периоди- где Br = hc/Eph, — угол падения света. Данные, ческой структуры. Один период отмечен фигурной скобкой.

представленные на рис. 2, дают = 11.9, что соответКаждый из 36 периодов состоял из квантовой ямы QW GaAs ствует показателю преломления n = 3.45. Эта величина и барьера AlGaAs, выполненного в виде короткопериодной близка к значению показателя преломления твердого сверхрешетки.

раствора AlGaAs с содержанием алюминия 30% [21].

При изменении температуры в диапазоне 10-300 K интерференционная картина изменяется незначительно в соответствии со слабой температурной зависимостью ном 4. Скорость роста контролировалась по дифракции показателя преломления. Существенно более сильные быстрых электронов на отражение (RHEED) и составляизменения положения интерференционных пиков происла 0.6 и 0.35 мкм/ч для GaAs и AlAs соответственно.

ходят при изменении угла падения света. СоответствуюЭпитаксиальный слой AlGaAs был выполнен в виде щие экспериментальные данные приведены в [17]. Измекороткопериодной сверхрешетки GaAs-AlAs. Толщина ренные сдвиги Br хорошо описываются формулой (1).

слоев GaAs в этой сверхрешетке составляла 3 монослоя, На главном пике интерференционного отражения а толщина слоев AlAs — 7 монослоев, что с точки зревидны особенности (отмечены на рис. 2 стрелками).

ния оптических свойств в ближнем инфракрасном диаВ отличие от интерференционных пиков и провалов пазоне эффективно соответствовало твердому раствору Al0.3Ga0.7As. В массиве короткопериодной сверхрешетки AlGaAs была сформирована система периодически расположенных квантовых ям GaAs. Из общего числа 36 ям ширина четырех была 20 нм, а остальных ям — 15 нм. Расстояние между центрами ям (период структуры) составляло 119 нм.

Измерения спектров оптического отражения проводились в диапазоне температур от 10 до 300 K при s- и p-поляризациях и различных углах падения света. Источником света служила лампа накаливания с вольфрамовой спиралью, соединенная с дифракционным монохроматором с решеткой 1200 штрихов/мм. В качестве фотоприемника использовался кремниевый фотодиод. Калибровка измерительной системы осуществлялась при соответствующих углах падения и поляризации света с помощью металлического Al-зеркала.

Рис. 2. Спектры оптического отражения от слоя AlGaAs Спектры электроотражения измерялись в тех же с периодически встроенными квантовыми ямами GaAs при условиях по бесконтактной методике [19,20]. Величина разных температурах. Угол падения света 43, s-поляризация.

модулирующего напряжения варьировалась в пределах Стрелками показаны спектральные особенности, обусловлен300-500 В. Измерение сигнала модуляционного отраженые с взаимодействием света с экситонными состояниями в ния проводилось при нормированной величине немо- квантовых ямах. Для удобства спектры смещены друг относидулированного отражения, что достигалось с помощью тельно друга по вертикальной оси.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1468 В.В. Чалдышев, А.С. Школьник, В.П. Евтихиев, T. Holden Для решения этой проблемы мы использовали подход, основанный на модуляционной методике бесконтактного электроотражения (БЭО) [19,20]. При этом образец помещался между двумя электродами, на которые подавалось высокое напряжение (330-500 В) частотой 200 Гц.

Кремниевым детектором одновременно измерялась модулированная и постоянная составляющие отраженного монохроматического светового потока. Спектры БЭО R/R от исследованного образца, измеренные при различных температурах, представлены на рис. 3. Следует подчеркнуть, что спектры БЭО были получены в условиях, полностью идентичных тем, что использовались для измерения обычных спектров отражения, представленных на рис. 2.

Из рис. 3 видно, что в спектрах БЭО не проявляется заметным образом интерференционная картина, характерная для обычных спектров отражения (рис. 2). Причина состоит в том, что диэлектрические функции GaAs, AlAs и AlGaAs слабо зависят от электрического поля в диапазоне энергий ниже края фундаментального поглощения. Основной сигнал БЭО наблюдается при энергиях фотонов 1.50-1.55 эВ, т. е. в области энергий, соответствующих основному состоянию экситонов в квантовых ямах и объемном GaAs. Энергетическое положение соответствующих особенностей отмечено на рис. 3 стрелками. Сигнал при более высоких энергиях, возможно, связан с осцилляциями Франца-Келдыша [19,20].

Рис. 3. Спектры бесконтактного электроотражения от слоя Следует отметить, что спектры на рис. 2 и 3 записаны AlGaAs с периодически встроенными квантовыми ямами GaAs с одинаковым спектральным разрешением. При этом при температурах 17, 50 и 80 K. Угол падения света 43, в случае БЭО удается значительно лучше выявить s-поляризация. Стрелками показаны спектральные особеннои разделить особенности, связанные с экситонами в сти, обусловленные взаимодействием света с экситонными квантовых ямах различной ширины, а также наблюдать состояниями в квантовых ямах, а также с экситонами в подложке GaAs. сигнал от объемных экситонов подложки GaAs. Это обстоятельство делает возможным количественный анализ формы спектральных линий. Энергетическое положение особенностей, связанных с экситонами в квантовых положение этих особенностей не зависело от угла паямах, хорошо согласуется с квантово-механическими дения света [17], но заметно изменялось при повышении расчетами для ям GaAs, шириной 15 и 20 нм, окружентемпературы, особенно при T > 80 K (см. рис. 2). Энерных барьерами Al0.3Ga0.7As. Детальный количественный гетическое положение пиков соответствовало энергии анализ формы спектральных линий будет проведен в основного состояния экситонов в квантовых ямах GaAs последующих работах.

шириной 15 и 20 нм с барьерами Al0.3Ga0.7As.

Таким образом, исследования оптического отражения Таким образом, в исследованных спектрах оптичеи электроотражения от слоев AlGaAs с периодически ского отражения от слоев AlGaAs с периодически расположенными квантовыми ямами GaAs различной расположенными квантовыми ямами GaAs обнаружены ширины в диапазоне энергий фотонов от 1 до 2 эВ три различных компоненты. Во-первых, это отражение, показали, что спектральная зависимость коэффициента обусловленное различием показателей преломления возотражения содержит три основных вклада: отражение от духа и среды AlGaAs. Во-вторых, это интерференциграницы воздух-среда; интерференционное отражение, онное брэгговское отражение, вызванное периодичеобусловленное периодической модуляцией коэффициской модуляцией показателя преломления из-за системы ента преломления из-за различий его значений для тонких слоев GaAs. Наконец, в-третьих, наблюдаются материалов ям и барьеров; отражение, связанное с особенности, обусловленные взаимодействием света с взаимодействием электромагнитных волн с экситонныэкситонными состояниями в квантовых ямах. Несмотря ми состояниями в квантовых ямах. Эти вклады имеют на заметную разницу в поведении этих вкладов при различные зависимости от температуры, угла падения изменении условий эксперимента, их разделение, необ- и поляризации. Для выделения в оптических спектрах ходимое для изучения экситонных особенностей, весьма вклада, обусловленного взаимодействием света с эксизатруднительно. тонными состояниями, разработан подход на основе бесФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Оптическое отражение и бесконтактное электроотражение от слоев GaAlAs с периодически... контактного измерения спектров оптического электро- Optical reflection and contactless отражения. Показано, что применение такой методики electroreflection from AlGaAs layers позволяет определить параметры экситонных состояний with periodically embedded GaAs в квантовых ямах.

quantum wells Авторы благодарны Е.Л. Ивченко и А.Н. Поддубному V.V. Chaldyshev, A.S. Shkolnik, V.P. Evtikhiev, за полезные обсуждения.

T. Holden Работа поддержана программами РАН и РоссийIoffe Physicotechnical Institute, ским фондом фундаментальных исследований (грант Russian Academy of Sciences, № 05-02-17778).

194021 St. Petersburg, Russia Brooklyn Cillege of the City University of New York, USA Список литературы

Abstract

In the range of photon energies from 1 to 2 eV we [1] E.L. Ivchenko. Optical spectroscopy of semiconductor nanostructures (Alpha Science International, Harrow, UK, studied optical reflection and electroreflection from AlGaAs layers 2005).

with periodically embedded GaAs quantum wells of different [2] Е.Л. Ивченко, А.И. Несвижский, С. Йорда. ФТТ, 36, thickness. It is found that the spectral behavior of the reflection (1994).

coefficient is determined by three main contributions: reflection [3] В.А. Кособукин, М.М. Моисеева. ФТТ, 37, 3694 (1995).

from the air–medium interface; interference reflection due to [4] Е.Л. Ивченко, В.П. Кочерешко, А.В. Платонов, Д.Р. Якоperiodic modulation of the refraction coefficient that is different влев, А. Вааг, В. Оссау, Г. Ландвер. ФТТ, 39, 2072 (1997).

for the materials of wells and barriers; reflection related to the [5] E.L. Ivchenko, M. Willander. Phys. Status Solidi B, 215, interaction of the electromagnetic waves with the excitonic states (1999).

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.