WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Терагерцовая люминесценция гетероструктур на основе GaAs с квантовыми ямами при оптическом возбуждении доноров ¶ © Н.А. Бекин, Р.Х. Жукавин, К.А. Ковалевский, С.Г. Павлов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова, В.Н. Шастин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 14 июня 2004 г.) Исследовано спонтанное излучение селективно легированных гетероструктур GaAs/InGaAs : Si и GaAs/InGaAsP : Si в терагерцовом диапазоне частот ( 3-3.5 ТГц) на переходах между состояниями двумерной подзоны и донорного центра (Si) при возбуждении излучением CO2-лазера и температуре жидкого гелия. Показана возможность создания инверсии населенности и усиления в активном слое до 100-300 см-1 в многослойных структурах с квантовыми ямами (50 периодов) с концентрацией легирующих центров ND 1011 см-2 при плотности потока возбуждения 1023 квант/см2· с.

1. Введение туннелирования позволяют реализовать токовое возбуждение инвертированных распределений электронов как Впервые возможность использования квантово-раз- на внутрицентровых, так и на примесно-зонных оптимерных гетероструктур для достижения эффекта стиму- ческих переходах. При этом благодаря количественным характеристикам спектров состояний мелких примесных лированного излучения при внутризонном оптическом центров и, что немаловажно, малости решеточного возбуждении была показана в работе [1]. Лазерный поглощения гетероструктуры Si/SiGe представляют наиэффект на длине волны = 15.5 мкм наблюдался на больший интерес. Разумеется, наличие разрывов зон, межподзонных переходах двумерных (2D) электронов встроенная деформация, большая концентрация легируквантовых ям GaAs в структурах GaAs/AlGaAs с испольющих центров и другие особенности искусственных сред зованием четырехуровневой схемы возбуждения излучепониженной размерности привносят усложнения и не нием CO2-лазера ( = 9.7мкм). При этом нижний уропозволяют слепо копировать то, что уже получено на вень рабочего перехода быстро (за время 0.5 · 10-12 с) объемном материале. Однако они не могут дать преопустошался излучением оптических фононов, а для имущества, связанные с возможной целенаправленной верхнего уровня процесс релаксации на оптических фомодификацией состояний носителей заряда. Учитывая нонах был несколько подавлен (время 0.7 · 10-12 с) тем, фактор доступности технологии и стремясь к упрощечто вовлеченные в безызлучательный переход состояния нию объектов исследований, мы выбрали селективно 2D электронов были разнесены не только в коордилегированные кремнием многослойные гетероструктуры натном пространстве, но и пространстве волновых векGaAs/InGaAs и InGaAsP/GaAs с квантовыми ямами, торов. К сожалению, продолжения данное направление которые содержали одну, иногда две (если мелкая кванисследований не получило и явилось эпизодом на фоне товая яма встраивалась в область барьеров) подзоны исследований квантово-каскадных лазеров (см., наприразмерного квантования. При этом спектр состояний мер, [2]) с токовым возбуждением, которые используют подбирался так, чтобы межподзонные излучательные тот же принцип формирования активной среды, но в переходы не играли существенной роли и оптические пеусловиях так называемого вертикального транспорта реходы между 2D континуумом и основным состоянием электронов. Данная экспериментальная работа является кулоновского центра определяли фотоиндуцированное первым шагом в исследовании возможности формироизлучение, которое лежит в терагерцовом диапазоне вания инверсной населенности и получения эффектов частот. При интерпретации данных ключевая роль отвоусиления на примесно-зонных переходах в гетерострукдилась сравнению результатов, полученных на различтурах с квантовыми ямами, и мы используем оптиченых структурах, отличающихся концентрацией центров ское возбуждение, так как это значительно упрощает легирования и их пространственным распределением конструкцию необходимых гетероструктур.

между квантовыми ямами и барьерами.

Следует отметить, что эффекты стимулированного излучения на внутрицентровых переходах мелких доноров 2. Эксперимент при их оптическом возбуждении уже получены в объемном полупроводнике — кремнии [3]. Однако расширение Оптическая схема измерений представлена на рис. 1.

подобных исследований на квантово-размерные гетероВ качестве источника накачки применялся обычный структуры с селективным легированием представляется отпаянный CO2-лазер с продольным разрядом, который важным по причине того, что процессы резонансного работал в режиме активной модуляции добротности, ¶ E-mail: shastin@ipm.sci-nnov.ru обеспечивая пиковую мощность до 2 кВт в импульсе Терагерцовая люминесценция гетероструктур на основе GaAs с квантовыми ямами при оптическом... Таблица 1. Параметры гетероструктур InxGa1-x As/GaAs Ширина, нм/Содержание In, x Расположение примеси Номер ns, Глубокая Мелкая структуры 1011 см-2 Глубокая Барьер Мелкая Барьер квантовая яма квантовая яма квантовая яма квантовая яма 3120 7/0.17 4/0 14/0.05 2.2 - - Селект.

3121 7/0.17 4/0 14/0.05 4.7 - Селект.

3122 7/0.17 4/0 14/0.05 2.5 - 3123 7/0.17 22/0 - 2.4 - Селект. 3124 7/0.17 22/0 - 5.1 Селект. 4167 7/0.17 22/0 - 1.3 - Селект. 4169 7/0.17 4/0 14/0.05 1.5 - - Селект.

Примечание. Селект. — селективное легирование Таблица 2. Параметры гетероструктур In0.07Ga0.93As0.86P0.14/GaAs Ширина, нм Расположение примеси Номер ns, 1011 см-структуры Квантовая яма Барьер Квантовая яма Барьер 4157 7 20 0.21 - 4159 7 20 0.7 4160 7 20 0.44 4161 7 20 1.1 - Селективнoе легирование длительностью 300 нс. При измерении вольт-амперных риодами оценивается как 0.4 см при уровне легирования характеристик (ВАХ) и фототока использовался син- 2 · 1011 см-2 на период. Для детектирования терагерхронизуемый импульсный источник напряжения дли- цового излучения использовался охлаждаемый жидким тельностью 10 мкс, что позволяло избежать нежелатель- гелием Ge : Ga-фотоприемник, который был защищен от ного перегрева исследуемых образцов. Данные реги- рассеянного излучения накачки сапфировым фильтром.

стрировались на цифровом осциллографе и усреднялись На выходе фотоприемника для повышения чувствительпо 1024 реализациям. Излучение наблюдалось с торца ности измерений ставился усилитель с полосой усилеструктур, имевших размеры 0.5 0.7 0.04 см3, при их ния 1 МГц.

охлаждении жидким гелием и при оптическом возбужде- Исследуемые образцы (см. табл. 1, табл. 2) были нии излучением CO2-лазера с длиной волны 10.6 мкм, выращены на полуизолирующей подложке GaAs толщираспространяющимся вдоль слоев роста в направлении ной 0.04 см методом МОС-гидридной эпитаксии (газоузкой (0.5 см) грани. Характерная длина поглощения фазной эпитаксии из металлорганических соединений).

излучения накачки для структур GaAs/InGaAs с 50 пе- Измеренная подвижность электронов во всех структурах была GaAs/InGaAs близка к 4 · 103 см2/В · с при комнатной температуре и несколько возрастала, до (6-8) · 103 см2/В · с, при гелиевых температурах.

Результаты измерений темновых ВАХ и фототока для структур 3122, 3123, в которых легировались либо только квантовые ямы, либо только барьеры, в зависимости от прикладываемого в их плоскости напряжения представлены на рис. 2, 3 соответственно. Аналогичные результаты были получены и на всех других перечисленных образцах. Из темновых ВАХ можно заключить, что подвижность электронов слабо возрастала с ростом приложенного поля, а концентрация свободных (делокализованных) электронов была велика даже в условиях гелиевых температур для структур всех типов, хотя при легировании только квантовых ям она была явно меньше. При этом по ВАХ видно, что области пробоя локализованных состояний доноров значительно размыРис. 1. Оптическая схема измерения спонтанного излучеты. Заметим, что в приближении изолированного кулония. k — вектор распространения электромагнитной волны, e — вектор поляризации. новского центра энергия связи доноров при легировании Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 78 Н.А. Бекин, Р.Х. Жукавин, К.А. Ковалевский, С.Г. Павлов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова...

дается уменьшение фототока. Строгий количественный анализ населенностей достаточно сложен и требует использования методов численного моделирования, что выходит за рамки данной публикации. Однако сравнение данных, полученных на образцах с различным типом и разным уровнем легирования, позволяет сделать некоторые выводы. Так, по ширине максимума кривой фототока и ее зависимости от параметров структур можно сделать вывод о том, что связанные состояния доноров образуют широкую зону локализованных состояний и ее ширина увеличивается с ростом концентрации легирующих центров. При этом концентрация локализованных состояний возрастает не пропорционально концентрации вводимых доноров и не превышает 1011 см-2, даже при леРис. 2. Зависимость темнового тока (1) и фототока (2) гировании квантовых ям, по причине уширения спектра от приложенного электрического поля E при максимальной энергий связанных состояний нейтральных донорных интенсивности накачки излучением CO2-лазера для структуцентров и делокализации части из них неоднородным ры 3122.

полем расположенных рядом заряженных доноров и акцепторов. Кроме того, из токовых измерений можно сделать вывод о большом уровне остаточного легирования ( 1016 см-3) в исследовавшихся структурах, который приводит к росту темновой проводимости и дополнительному фототоку, что особенно заметно при относительно малом ( 1010 см-2) уровне концентрации целенаправленно вводимых центров.

Важной особенностью фототока является его насыщение при интенсивности возбуждения I > 0.4кВт/см(рис. 4). Это наблюдалось во всех структурах GaAs/InGaAs при малом приложенном поле, но в характерных полях пробоя и выше насыщение пропадало. Данный результат свидетельствует о том, что скорость захвата 2D электронов на кулоновские заряженные центры без разогрева носителей заряда внешРис. 3. Зависимость темнового тока (1) и фототока (2) ним электрическим полем не превышает 108 с-от приложенного электрического поля E при максимальной и определяется испусканием не столько акустических, интенсивности накачки излучением CO2-лазера для структусколько оптических фононов энергичными электронары 3123.

ми из „хвоста“ функции распределения, который поддерживается благодаря электрон-электронным столкновениям. Приведенная оценка получена в предположеквантовых ям (их центральной части) близка к 10 мэВ, нии, что сечение фотоионизации доноров в структурах а при легировании барьеров в структурах (табл. 1) не превышает 3-4 мэВ. При температуре 4.2 K этого вполне достаточно для вымораживания проводимости, и ее присутствие связано с сильным концентрационным уширением связанных состояний и их частичным перекрытием с 2D континуумом (делокализацией). Данные измерений фототока в зависимости от приложенного напряжения подтверждают такую точку зрения.

Результаты измерений фототока также представлены на рис. 2 и 3. Фототок связан с возбуждением электронов в 2D подзону размерного квантования с локализованных состояний доноров. Сечение фотоионизации оценивается нами на уровне 10-14 см2 (см. далее).

Другими параметрами, определяющими значение фототока, являются подвижность 2D электронов, сечение их захвата на заряженный кулоновский центр и скорость ударной ионизации локализованных состояний. В полях, Рис. 4. Зависимость фототока от интенсивности накачки превышающих поле пробоя донорных центров, как вид- излучением CO2-лазера для структуры 3123 при значениях но из представленных результатов измерений, наблю- приложенного электрического поля 4 (1) и 20 В/см (2).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Терагерцовая люминесценция гетероструктур на основе GaAs с квантовыми ямами при оптическом... структурах, и его интенсивность в пределах точности измерений была пропорциональна концентрации легирующих центров с небольшим отличием для образцов с различным распределением легирования по слоям гетероструктуры. Максимум интенсивности излучения, в пересчете на один донор, отмечался в структурах с легированными квантовыми ямами и барьерами, а минимум — в структурах, в которых легировались только барьеры. Типичные зависимости интенсивности терагерцового излучения от мощности фотонакачки приведены на рис. 5 и 6. Обращает на себя внимание суперлинейный характер такой зависимости. Это оказалось наиболее выраженным для образцов 3122, 3123 и практически отсутствовало (в пределах точности измерений) для образцов с уровнем легирования Рис. 5. Зависимость интенсивности спонтанного излучения от 1010 см-2 или при регистрации терагерцового излуинтенсивности накачки излучением CO2-лазера для структучения с плоскости структуры. С помощью охлаждаемых ры 3123 при регистрации с плоскости структуры (1) и с торца гелием фильтров из КРС-5 и плавленого кварца было структуры (2).

установлено, что диапазон излучаемых фотонов лежит в интервале 12-14 мэВ.

Мы полагаем, что наблюдаемое спонтанное излучение связано с оптическими переходами 2D электронов из нижней подзоны размерного квантования ямы на локализованные состояния ионизованных доноров, а суперлинейная зависимость интенсивности спонтанного излучения от мощности накачки отражает наличие эффекта усиления на этих переходах с наблюдаемым при интенсивности излучения накачки P 1кВт/смкоэффициентом усиления eff 0.5см-1. При оценках принималось, что I = I0 exp(eff deff), где deff — эффективная оптическая толщина, а I0 — эффективное значение интенсивности спонтанного излучения. Параметр deff нам точно не известен и принимался равным длине образца ( 1см). Не исключено, что он Рис. 6. Зависимость интенсивности спонтанного излучения от может быть в 2-3 раза больше из-за эффектов внуинтенсивности накачки излучением CO2-лазера для структутреннего переотражения выходящего излучения. Друры 3122 при регистрации с торца структуры (сплошная линия) гая особенность электродинамики структур появляется и экстраполяция линейной зависимости (штриховая линия).

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.