WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Межподзонное поглощение света в гетероструктурах с двойными туннельно-связанными квантовыми ямами GaAs/AlGaAs © Л.Е. Воробьев¶, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, В.В. Капаев, S. Hanna+, S. Schmidt+, E.A. Zibik+, A. Seilmeier+ 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, 95440 Bayreuth, Germany (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 14 июня 2004 г.) Исследовано межподзонное оптическое поглощение в среднем инфракрасном диапазоне в гетероструктурах с асимметричными парами туннельно-связанных квантовых ям. Исследования проведены в равновесных условиях, а также при мощной накачке пикосекундными импульсами света. На основании анализа равновесных и неравновесных спектров межподзонного поглощения найден энергетический спектр электронов в туннельно-связанных квантовых ямах. Динамика изменения межподзонного поглощения при мощной оптической накачке исследована методом спектроскопии высокого временного разрешения пикосекундного диапазона. Экспериментальные данные сопоставляются с результатами расчетов, основанных на решении скоростных уравнений. Определены времена межподзонной релаксации.

1. Введение 2. Образцы Одним из актуальных направлений современной по- Для исследований была выращена структура, солупроводниковой оптоэлектроники является разработка держащая 150 пар туннельно-связанных квантовых ям источников лазерного излучения на средний инфракрас- GaAs/AlxGa1-xAs. Пары ям разделялись туннельно-неный (ИК) диапазон спектра (длины волн = 5-20 мкм). прозрачным барьером шириной 20 нм. Содержание Al Лазерное излучение среднего ИК диапазона имеет мно- в твердом растворе, формирующем барьеры, x = 0.42, жество применений в науке и технике, в числе ко- в первой квантовой яме x = 0, во второй x = 0.06.

торых обнаружение химических веществ и биологиче- Структура была селективно легирована в центральной ских субстанций, мониторинг загрязнения окружающей части широкого барьера, поверхностная концентрация среды, молекулярная спектроскопия, неинвазивная ме- электронов составляла Ns = 3 · 1011 см-2. Согласно расдицинская диагностика, разведка полезных ископаемых чету, в ТСКЯ имелось четыре подзоны размерного и др. В данном спектральном диапазоне наряду с широко квантования.

известным каскадным лазером [1] излучает так называ- Профиль потенциала, найденный из самосогласованемый „фонтанный лазер“ [2], действие которого основа- ного решения уравнений Шредингера и Пуассона, расно на межподзонных переходах в туннельно-связанных считанные волновые функции электронов и оптические квантовых ямах (ТСКЯ) при внутризонной оптической переходы электронов с наибольшим оптическим матричнакачке.

ным элементом показаны на рис. 1. Состояния с энерОднако инверсия населенности между возбужденными гиями E 1 и E 4 генетически связаны с первой, более уровнями размерного квантования в ТСКЯ может быть узкой КЯ, тогда как состояния с энергиями E 2 и E получена и при межзонной оптической или токовой возникают из-за наличия второй, более широкой КЯ. Это накачке, что является более удобным с точки зрения приводит, в частности, к тому, что волновая функция практического применения. Схема создания межподзон- основного состояния локализована преимуществен ной инверсии населенности в структурах с квантовы- но в пределах узкой ямы, а волновая функция первого ми ямами, пригодная и для случая ТСКЯ, описана возбужденного состояния локализована в широкой в [3]. В настоящей работе приводятся результаты ис- яме (см. рис. 1). Значения оптических матричных эле следований оптических свойств ТСКЯ, обусловленных ментов |Mik|2 = pz dz, определяющих вероятk i межподзонными переходами электронов. Исследования ности оптических переходов между уровнями i и k, проведены как в условиях межзонной оптической насильно отличаются. Наибольший вклад в межподзонное качки, так и в равновесных условиях при различных поглощение дают переходы между ближайшими уровтемпературах.

нями, генетически связанными с одной и той же КЯ, а переходы между уровнями в соседних ямах значительно ¶ E-mail: lvor@rphf.spbstu.ru слабее: |M14|2 |M24|2, а |M23|2 |M13|2.

4 50 Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, В.В. Капаев, S. Hanna...

ло возможность определить спектральную зависимость поглощения на переходах 3-4. Измерения проводились в импульсном режиме, длительность светового импульса накачки составляла 2 пс, зондирующий импульс (hprobe h34) был задержан относительно импульса накачки на 1.5 пс. Анализ полученных спектров дает энергетический зазор E 4 - E 3 = h34, а это позволяет однозначно определить энергетический интервал между уровнями E 2 и E 1: h12 = h14 - h23 - h34; он составил 11 мэВ.

Методом спектроскопии высокого временного разре шения пикосекундного диапазона исследовалась динамика изменения межподзонного поглощения при мощной межподзонной оптической накачке. Частоты излучения накачки и зондирующего излучения выбирались в различных комбинациях в соответствии с расстояниями Рис. 1. Энергетический профиль структуры с ТСКЯ GaAs/AlxGa1-x As, волновые функции электронов и оптические переходы электронов в структуре.

3. Результаты и их обсуждение Для определения положений энергетических уровней в ТСКЯ были изучены равновесные спектры межподзонного поглощения при различных температурах (см. рис. 2). Спектры состоят из двух ярко выраженных полос поглощения. Спектральное положение полос Рис. 2. Экспериментально определенные равновесные спекпозволяет связать длинноволновую полосу с перехода- тры внутризонного поглощения структуры с ТСКЯ.

ми 1-3 и 2-3 в -долине, а коротковолновую полосу с переходами 1-4 и 2-4 в этой же долине, причем пики, соответствующие переходам с уровней 1 и 2, в каждой из полос слились. По этой причине спектры равновесного поглощения не позволяют определить энергетическое расстояние между уровнями 1 и 2.

Температурная зависимость равновесного межподзонного поглощения объясняется перераспределением электронов между основным (E 1) и первым возбужденным (E 2) состояниями в ТСКЯ: с ростом температуры происходит заполнение уровня E 2, а концентрация электронов на уровне E 1 падает. Это приводит к тому, что усиливается длинноволновая полоса поглощения, в которой доминируют переходы 2-3, и одновременно ослабевает коротковолновая полоса, в которой доминируют переходы 1-4. Расчетные зависимости коэффициентов поглощения для трех температур практически совпали с Рис. 3. Изменение поглощения в длинноволновой поэкспериментально определенными спектрами.

лосе при совпадающих частотах накачки и зондирования Величина интервала E 2 - E 1 = h12 была опреде(hpump = hprobe = h23 = 124 мэВ) в зависимости от задержки лена путем исследования спектров поглощения при между сильным импульсом накачки с энергией около 1 мкДж мощной межподзонной накачке с энергией фотонов и слабым импульсом зондирования. Длительность импульhpump = h23, приводящей к заселению уровня 3. Это да- сов 3 пс. T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Межподзонное поглощение света в гетероструктурах с двойными туннельно-связанными... T = 300 K), что можно связать с тепловым выбросом электронов из X- и L-долин.

Полученные из опытов значения быстрых времен релаксации поглощения света в длинноволновой (23) и коротковолновой (14) полосах при 300 K оказались равными 32 = 1пс и 41 = 1.3 пс. Эти времена должны превышать времена межподзонных переходов электронов 3-2 и 4-1.

Расчет времен межподзонного рассеяния электронов 3-2 и 4-1 (остальные каналы рекомбинации, например, 4-3-1, 4-3-2-1, согласно расчетам, являются более медленными) с участием оптических фононов и примесей дает при комнатной температуре значения 0.65 и 1.4 пс соответственно. Из-за непараболичРис. 4. Изменение поглощения в коротковолновой поности энергетического спектра вклад в поглощение на лосе при совпадающих частотах накачки и зондироваэтих частотах дают электроны вблизи дна подзон ния (hpump = hprobe = h14; h14 = 232 мэВ при T = 300 K и и 1. Поэтому время релаксации поглощения будет h14 = 237 мэВ при T = 80 K) в зависимости от задержки больше времени межподзонного рассеяния примерно на между сильным импульсом накачки ( 1мкДж) и слабым время испускания каскада из соответствующего числа импульсом зондирования. Длительность импульсов 3 пс.

оптических фононов. Время испускания одного фонона при внутриподзонном рассеянии электрона составляет 0.1 пс. Тогда окончательно для времен релаксации между подзонами. На рис. 3 представлены результаты поглощения для оптических переходов между подзонаэкспериментальных исследований для совпадающих чами 3 и 2 получим 32 = 0.95 пс, а для переходов между стот накачки и зондирования: pump = probe = 23. Экспеподзонами 4 и 1 41 = 2 пс, что близко к приведенным римент свидетельствует о биэкспоненциальном характевыше экспериментальным данным.

ре временной эволюции изменения поглощения.

Были проведены расчеты динамики межподзонного поглощения на основе системы скоростных уравнений с 4. Заключение учетом межподзонных переходов электронов с участием оптических фононов и примесей. Также учитывалась В работе исследованы оптические явления, связанные форма импульсов накачки и зондирования. Такой метод с межподзонными переходами электронов в туннельнопозволяет оценить межподзонные времена релаксации, связанных квантовых ямах. Обнаружен биэкспоненцичто необходимо для исследований условий получения альный характер изменения межподзонного поглощения инверсии населенности в ТСКЯ. Результаты расчета со временем. Дано объяснение коротковременной и представлены на рис. 3. Подчеркнем, что рассмот- долговременной составляющих релаксационных кривых.

ренная модель описывает только быстрые процессы, Работа поддержана INTAS, DFG, ISTC, РФФИ, Минисвязанные с переходами между подзонами с участием стерством образования и науки РФ.

продольных оптических (LO) фононов. Долговременной процесс, возможно, связан с переходами электронов из состояний глубоких примесей, находящихся в барьере Список литературы рядом с интерфейсом квантовой ямы, в состояния в подзонах ТСКЯ.

[1] J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco, C. Sirtori, A.L. Hutchinson, A.Y. Cho. Science, 264, 553 (1994).

На рис. 4 показана зависимость от времени задержки [2] O. Gauthier-Lafaye, P. Boucaud, F.H. Julien, S. Sauvage, изменения поглощения для переходов 1-4 (излучение S. Cabaret, J.-M. Lourtioz, V. Thierry-Mieg, R. Planel. Appl.

накачивающего импульса имело частоту pump = 14, Phys. Lett., 71, 3619 (1997).

зондирование велось на той же частоте, probe = 14). Ко[3] A. Kastalsky, L.E. Vorobjev, D.A. Firsov, V.L. Zerova, E. Towe.

ротковременные процессы релаксации вызваны главным IEEE J. Quant. Electron., 37, 1356 (2001).

образом переходами электронов с участием оптических фононов из подзоны 4 в подзону 1 с последующим их Редактор Л.В. Шаронова захватом в -подзоны. Долговременные процессы можно связать с переходами неравновесных электронов из X- и L-долин в барьере в -подзоны квантовых ям. С ростом температуры этот процесс становится более быстрым (время уменьшается от 60 пс при T = 80 K до 20 пс при 4 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 52 Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, В.В. Капаев, S. Hanna...

Intersubband light absorption in heterostructures with double tunnel-coupled GaAs/AlGaAs quantum wells L.E. Vorobjev, V.Yu. Panevin, N.K. Fedosov, D.A Firsov, V.A. Shalygin, V.V. Kapaev, S. Hanna+, S. Schmidt+, E.A. Zibik+, A. Seilmeier+ St. Petersburg State Polytechnical University, 195251 St. Petersburg, Russia P.N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, 117924 Moscow, Russia + Institute of Physics, University of Bayreuth, 95440 Bayreuth, Germany

Abstract

Intersubband absorption of mid-infrared radiation was studied in asymmetrical tunnel-coupled quantum wells both in equilibrium conditions and under powerful picosecond intersubband optical pumping. Electron energy spectrum in tunnel-coupled quantum wells was found from equilibrium and nonequilibrium intersubband absorption spectra. Dynamics of intersubband absorption was studied using pump-and-probe picosecond technique and compared with the results of calculations based on the rate equations. Intersubband relaxation times were determined.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




© 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.