WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Оптические явления в гетероструктурах InAs / GaAs с легированными квантовыми точками и искусственными молекулами ¶ © Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, + ‡ ‡ ‡ A.D. Andreev, Ю.Б. Самсоненко, А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, Н.В. Крыжановская, † † В.М. Устинов, S. Hanna, A. Seilmeier, N.D. Zakharov, P. Werner Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия + Department of Physics, University of Surrey, Guildford, GU2 7XH, UK Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия ‡ Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия † Institute of Physics, University of Bayreuth, Germany Max Planck Institute of Microstructure Physics, 06120 Halle (Saale), Germany (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 14 июня 2004 г.) Исследованы спектры внутризонного поглощения поляризованного излучения среднего инфракрасного диапазона в квантовых точках InAs / GaAs n- и p-типов, а также нелегированных, покрытых слоем InGaAs. Рассчитаны оптические матричные элементы для внутризонных переходов электронов и дырок в квантовых точках для разных поляризаций света, результаты расчетов находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Показано, что внутризонное поглощение излучения электронами существенно превышает поглощение света дырками. Исследованы спектры фотолюминесценции и картины просвечивающей электронной микроскопии в искусственных молекулах, образованных парами квантовых точек.

1. Введение структур с ИМ могут быть созданы эмиттеры излучения среднего инфракрасного и терагерцового диапазонов, Исследование внутризонных оптических переходов поскольку энергия расщепления основного состояния носителей заряда в квантовых точках представляет ин- в ИМ является функцией толщины спейсера и летерес с точки зрения разработки новых приборов опто- жит в диапазоне от нескольких мэВ до нескольких электроники — приемников и источников излучения десятков мэВ. В настоящей работе представлены ресреднего ИК диапазона. Фотоиндуцированное внутри- зультаты по выращиванию и исследованию структур зонное поглощение света в нелегированных квантовых InAs / GaAs с ИМ.

точках (КТ) InAs / GaAs и поглощение света в КТ n-типа исследовалось в ряде работ [1,2], однако данные по 2. Образцы и методика внутризонному поглощению света в КТ p-типа и сравниэкспериментальных исследований тельный анализ поглощения в структурах n- и p-типов отсутствуют. Между тем такие данные были бы интеОбразцы для исследований оптических переходов ресны как для разработки эффективных фотоприемников в квантовых точках представляли собой структуры излучения, так и для определения величины оптических с 15 слоями КТ InAs / GaAs, выращенные методом потерь, связанных с поглощением света дырками, в молекулярно-пучковой эпитаксии. В отличие от обычно лазерах на внутризонных переходах электронов в КТ.

используемой методики Странского–Крастанова, перед В настоящей работе экспериментально и теоретически нанесением матрицы GaAs КТ заращивались тонким исследуется внутризонное поглощение ИК излучения в (5нм) слоем In0.12Ga0.88As. Это приводило к модификаструктурах с КТ InAs / GaAs.

ции структурных и оптических свойств КТ. Для получеОптические свойства структур с искусственными мония n- и p-типов проводимости структуры легировались лекулами (ИМ), образованными парами вертикально соответственно кремнием и бериллием. Легировался связанных квантовых точек, к настоящему времени изуслой GaAs толщиной 2 нм, лежащий на 1.5 нм ниже чены недостаточно подробно. Между тем такие струкслоев с КТ. Поверхностная концентрация КТ в одном туры уже предложены в качестве базового элемента слое составляла 3 · 1010 см-2, поверхностная конценквантовых компьютеров [3,4]. Кроме того, на основе трация легирующей примеси приблизительно в 6 раз ¶ превышала концентрацию КТ. Исследование поглощения E-mail: dmfir@rphf.spbstu.ru;

Fax: 812-533-4717 велось в образцах многопроходной геометрии.

60 Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, A.D. Andreev...

Для получения искусственных молекул на подложке ного гамильтониана модели Кейна. Для КТ произвольGaAs выращивались два слоя КТ InAs / GaAs, разде- ной формы последовательное решение подобной задачи ленных спейсерным слоем GaAs толщиной ds = 5нм. представляет значительные вычислительные трудности.

Количество InAs, наносимого в первом и втором слоях Однако значительную часть решения задачи, а именно КТ, было различным (4 и 2.5 монослоя соответственно), расчет упругих напряжений и пьзоэлектрических почто позволило сформировать связанные КТ одинакового лей, можно выполнить аналитически для произвольной размера. Полученные структуры исследовались метода- формы КТ, не вводя при этом каких-либо упрощающих ми фотолюминесценции и просвечивающей электронной предположений. Результатом при этом являются фурьемикроскопии. образы тензора напряжений и пьезоэлектрического потенциала. Для получения этого результата был использован формализм функции Грина для линейного уравнения 3. Результаты и их обсуждение упругости [5]. Далее, для расчета энергетической зонной структуры удобно воспользоваться методом разложения В структурах с КТ исследовалось внутризонное попо плоским волнам в рамках 8 8 эффективного гамильглощение света s- и p-поляризации. Результаты экстониана модели Кейна. В работе [6] описано применение перимента представлены на рис. 1. Особенности спекданного метода для напряженных КТ на основе нитридов тров, показанные на рис. 1 стрелками, могут быть с кристаллической структурой типа вюрцита.

связаны с внутризонными переходами электронов и В рамках метода плоских волн волновая функция дырок между уровнями размерного квантования. Пики электрона или дырки, локализованных в КТ, представляпоглощения для электронных переходов наблюдаются ется в виде суперпозиции объемных волновых функций:

в s-поляризации (95 мэВ) и p-поляризации (175 мэВ).

Пик поглощения для дырочных переходов наблюдается (r) = Ck,|k,, (1) в s-поляризации для энергии кванта около 96 мэВ.

k, При расчете энергетической зонной структуры полупроводниковых квантовых точек и молекул учитывались где плоская волна |k, exp(ikr) является собственследующие важные факторы: ным состоянием 8 8 k · p эффективного гамильтониана 1) упругие напряжения в структуре с учетом задан- обобщенной модели Кейна [7], обозначает состояние электронов, легких, тяжелых и спин-отщепленных дырок ной формы квантовой точки, распределения состава и (включая спин). Волновая функция и плоская волна присутствия тонкого смачивающего слоя;

|k, в (1) являются векторами с восемью компо2) пьезоэлектрические поля;

нентами, каждая из компонент относится к соответ3) сложная структура валентной зоны и ее модификаствующей блоховской функции. Энергии электронов и ция упругими напряжениями;

дырок, локализованных в КТ или ИМ, и коэффициенты 4) спин-орбитальное взаимодействие и непараболичCk, находились путем численного решения задачи на ность зоны проводимости.

собственные вектора и числа большой матрицы, элеДостаточно хорошим приближением для решения менты которой зависят от фурье-образов формы КТ данной проблемы с учетом всех указанных требований или ИМ и распределения упругих и пьезоэлектрических является решение трехмерной задачи линейной теории напряжений. Как указано выше, требуемые фурье-образы уругости и системы уравнений в рамках метода огиможно найти аналитически.

бающих волновых функций на основе 8 8 эффективВ расчетах предполагалось, что квантовые точки имеют форму усеченной пирамиды со следующими размерами: нижнее основание 16 16 нм2, верхнее основание 4 4нм2, высота 5.5 нм. Результаты расчетов приведены на рис. 2 с учетом гауссова уширения отдельных переходов.

Спектральное положение и поляризационная зависимость рассчитанных кривых на рис. 2 хорошо согласуется с экспериментально определенными спектрами пропускания (рис. 1). В частности, как из расчета, так и из эксперимента следует, что величина поглощения излучения дырками в несколько раз слабее, чем электронами.

Кроме того, поглощение света дырками и электронами по-разному зависит от поляризации и спектрального состава излучения. Этот результат является благоприятным с точки зрения разработки биполярных лазеров Рис. 1. Отношение пропусканий света p- и s-поляризации для среднего ИК диапазона, основанных на межуровневых образцов с КТ, легированными различным образом (1 — p-тип, 2 — нелегированные КТ, 3 — n-тип). переходах электронов в КТ (см., например, [8]). Сильное Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Оптические явления в гетероструктурах InAs / GaAs с легированными квантовыми точками... внутризонных переходов более 70 мэВ) меньше, чем прекрытие между электронными состояниями для той же энергии внутризонного перехода. Таким образом, оба этих фактора приводят к большему сечению внутризонного поглощения для электронов.

В структурах с искусственными молекулами, образованными парами вертикально связанных КТ, расщепление основного уровня зависит от расстояния между КТ. На рис. 3 приведены результаты расчета энергии расщепления основного уровня КТ. В расчете использовались следующие параметры структуры: высота КТ ht = 4 нм, размеры основания 13 13 нм, размеры вершины 10 10 нм, толщина смачивающего слоя 0.5 нм.

Эти параметры согласуются с изображениями ИМ, полученными с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), одно из таких изображений приведено на рис. 4. На основе ПЭМ изображений высокого разрешения было установлено, что материал КТ соответствует составу In0.5Ga0.5As, что также было использовано при расчете.

Рис. 3. Рассчитанная зависимость энергии расщепления основного состояния КТ в ИМ от расстояния между связанныРис. 2. Рассчитанные оптические матричные элементы для ми квантовыми точками db (толщина спейсера ds = db + ht).

межуровневых переходов электронов (a) и дырок (b) с учетом уширения в 20 мэВ (поляризация света: 1 — s, 2 — p).

поглощение света дырками могло бы уменьшить оптическое усиление, обусловленное внутризонными переходами электронов между уровнями КТ.

Различие оптических матричных элементов для электронов и дырок связано с тем, что оптический матричный элемент для КТ определяется двумя факторами: объемным матричным элементом (построенном на волновых функциях объемного кристалла) и пространственным перекрытием волновых функций начального и конечного состояний в КТ. Объемный матричный элемент для переходов электронов в несколько раз больше, чем для переходов дырок. Кроме того, переРис. 4. Изображение поперечного сечения структуры с двумя крытие волновых функций основного и возбужденных слоями КТ, полученное с помощью просвечивающей электрондырочных состояний в КТ (энергии соответствующих ной микроскопии.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 62 Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, A.D. Andreev...

Список литературы [1] S. Sauvage, P. Boucaud, F.H. Julien, J.-M. Grard, J.-Y. Marzin.

J. Appl. Phys., 82, 3396 (1997).

[2] S. Sauvage, P. Boucaud, F.H. Julien, J.-M. Grard, V. ThierryMieg. Appl. Phys. Lett., 71, 2785 (1997).

[3] A. Barenco, D. Deutsch, A. Ekert, R. Jozsa. Phys. Rev. Lett., 74, 4083 (1995).

[4] M. Bayer, P. Hawrylak, K. Hinzer, S. Fafard, M. Korkusinski, Z.R. Wasilewski, O. Stern, A. Forchel. Science, 291, (2001).

[5] A.D. Andreev, J.R. Downes, D.A. Faux, E.P.O’Reilly. J. Appl.

Phys., 84, 297 (1999).

[6] A.D. Andreev, E.P. O’Reilly. Phys. Rev. B, 62, 15 851 (2000).

[7] T.B. Bahder. Phys. Rev. B, 41, 11 992 (1990); Phys. Rev. B, 46, 9913 (1992).

Рис. 5. Спектры фотолюминесценции, полученные для струк- [8] A. Kastalsky, L.E. Vorobjev, D.A. Firsov, V.L. Zerova, E. Towe.

туры с ИМ при различных уровнях накачки: 1 — I0, 2 — I0/2, IEEE J. Quant. Electron., 37, 1356 (2001).

3 — I0/7, 4 — I0/50, 5 — I0/500, 6 — I0/250 000 (I0 соотРедактор Л.В. Беляков ветствует мощности Ar-лазера 40 мВт). Показано расщепление основного состояния КТ. Ширина спейсера db + ht = 5нм.

Optical phenomena in InAs / GaAs heterostructures with doped quantum dots and artificial molecules В спектрах люминесценции (рис. 5), измеренных в большом диапазоне интенсивностей накачки, можно L.E. Vorobjev, V.Yu. Panevin, N.K. Fedosov, D.A. Firsov, выделить два пика, расстояние между которыми состав+ ‡ V.A. Shalygin, A.D. Andreev, Yu.B. Samsonenko, ляет 42 мэВ. В значительном интервале интенсивностей ‡ ‡ A.A. Tonkikh, G.E. Cirlin, N.V. Kryzhanovskaya, накачки интенсивности этих пиков совпадают, что поз † † V.M. Ustinov, S. Hanna, A. Seilmeier, воляет связать эти пики с переходами электронов с N.D. Zakharov, P. Werner симметричного и антисимметричного состояний ИМ, St. Petersburg State Polytechnic University, образованных при расщеплении основного состояния КТ. Как ПЭМ изображения, так и спектры фотолю- 195251 St. Petersburg, Russia + минесценции демонстрируют наличие в структуре сим- Department of Physics, University of Surrey, UK метричных связанных КТ, формирующих искусственную Ioffe Physicotechnical Institute молекулу. Russian Academy of Sciences, Полученное из эксперимента значение энергии рас- 194021 St. Petersburg, Russia ‡ щепления основного состояния 42 мэВ хорошо согла- Institute for Analytical Instrumentation суется с рассчитанной величиной 46 мэВ (см. рис. 3, Russian Academy of Sciences, db = 1нм). 198103 St. Petersburg, Russia † Institute of Physics, University of Bayreuth, Germany 4. Заключение Max Planck Institute of Microstructure Physics, 06120 Halle (Saale), Germany Экспериментально и теоретически показано, что внутризонное поглощение излучения среднего ИК диапа

Abstract

Spectra of intraband absorption of mid-infrared poзона в структурах с квантовыми точками InAs / GaAs, larized radiation were investigated in InAs / GaAs quantum dots связанное с электронными переходами, в несколько раз covered with InGaAs quantum well. Undoped, p- and n-doped сильнее, чем поглощение связанное с переходами дырок.

structures were studied. Optical matrix elements of intraband elecЭтот факт является благоприятным с точки зрения tron and hole transitions were calculated. Results of experiment разработки лазеров среднего ИК диапазона, основанных and calculations are in good agreement. It is shown that intraband на электронных внутризонных переходах.

Выращены и исследованы структуры с парами вер- light absorption connected with electron transitions exceeds the тикально связанных КТ. С помощью спектров фотолю- light absorption by holes. Photoluminescence spectra and TEM images were investigated in structures with artificial molecules минесценции и TEM изображений продемонстрировано formed by pairs of quantum dots.

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.