WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

в связи с толстой подложкой из полуизолирующего GaAs (0.04 см). Поглощением терагерцового излучения в этой подложке можно пренебречь, так как при гелиеGaAs/InGaAs близко к 10-14 см2. В полях, превышавых температурах в отмеченном диапазоне частот оно не ющих поля пробоя, определяющую роль в ионизации превышает 0.5 см-1 [4], но фактор перекрытия активной доноров играют столкновения с ними разогретых элексреды и формируемого подложкой волновода мал и тронов, что увеличивает скорость ионизации центров, составляет лишь 2 · 10-3, что существенно уменьшает и зависимость величины фототока от интенсивности значение наблюдаемого коэффициента усиления. При накачки становится линейной. С другой стороны, должен этом пересчитанный коэффициент усиления активного возрасти и темп рекомбинации через излучение оптичеслоя оказывается достаточно большим, 250 см-ских фононов. Отмеченные факторы позволяют понять (накачка P 1кВт/см2), что, как можно заметить, преосновные особенности полученных зависимостей фотовышает опубликованные данные по этому параметру для тока. В структурах GaAs/InGaAsP, в которых разрыв квантово-каскадного лазера [5], работающего на близких зоны проводимости составлял 10 мэВ, зависимости частотах.

фототока от приложенного напряжения были ближе к Таким образом, оптическое возбуждение найтральлинейным, что может быть связано с меньшим раза ных доноров кремния в исследованных структурах в 2 значением сечения фотовозбуждения. Данные по InGaAs/GaAs и InGaAsP/GaAs с селективным легироваизмерению фототока важны и использовались в полной нием приводит к явно выраженным эффектам усиления мере при интерпретации результатов по излучению на оптических переходах электронов из 2D континуума гетероструктур. на локализованные состояния положительно заряженСпонтанное излучение в терагерцовом диапазоне ча- ных донорных центров. Добавим, что каких-либо поляристот наблюдалось на всех перечисленных в табл. 1 зационных эффектов по излучению накачки обнаружить Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 80 Н.А. Бекин, Р.Х. Жукавин, К.А. Ковалевский, С.Г. Павлов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова...

не удалось. Последнее требует дополнительной провер- В особенности это касается того диапазона частот, в ки и могло быть связано с деполяризацией излучения котором наблюдалось излучение. Как видно из рис. 7, в накачки в оптическом тракте. этом диапазоне сечение поглощения сильно зависит от Для анализа экспериментальных данных были прове- используемого параметра. Расчет сечения оптических дены расчеты локализованных и 2D состояний электро- переходов, сделанный с учетом зависимости энергии нов в структурах рассматриваемого типа. При этом ис- ионизации центра от его положения в квантовой яме, пользовалось приближение изолированного кулоновско- (штриховая линия на рис. 7) дал близкие, хотя и несколько меньшие значения. Добавим, что для достаточно го центра. Как уже отмечалось выше, в исследовавшихся резких (с разбросом не более 2 нм) распределений приструктурах это является довольно грубым подходом, месей в направлении оси роста гетероструктуры сечение но упрощенная модель (см. далее) позволила получить поглощения в диапазоне 10-20 мэВ слабо зависит от необходимые ориентиры для значений уровней энергий ширины слоя селективного легирования.

и сечений оптических переходов для локализованных, квазилокализованных (резонансных) и свободных 2D со- В диапазоне 60-120 мэВ сечение поглощения зависит от параметра только вблизи порога фотоионизации стояний квантовых ям.

квантовой ямы. В исследованных образцах энергия кванта излучения накачки ( = 117 мэВ) заметно превы3. Теория шает указанный порог, поэтому рассчитанные величины сечений фотоионизации квантовых ям излучением При расчетах использовался метод разложения по CO2-лазера имеют удовлетворительную точность.

волновым функциям электрона в невозмущенной потенОчень важно, что сечение внутризонного поглощения циалом примеси квантовой яме [6,7]. При этом, поскольИК излучения должно иметь резко выраженную полярику в исследуемых структурах расстояние между подзозационную зависимость. Сечение поглощения излучения нами в квантовых ямах значительно превышает энергию с вектором поляризации, перпендикулярным гетерограсвязи донора, вкладом трехмерного (3D) континуума в волновые функции локализованных состояний доноров пренебрегалось. Это приближение, если интервал энергий от минимума подзоны до границы 3D континуума превышает энергию связи донора, остается допустимым и для случая квантовой ямы с одной подзоной.

При вычислении сечения поглощения инфракрасного (ИК) излучения сделаны следующие упрощения.

Во-первых, пренебрегалось модификацией состояний 3D континуума кулоновским потенциалом (при расчетах сечения фотоионизации квантовых ям). Во-вторых, уширение линий поглощения учитывалось тем, что при использовании золотого правила Ферми -функция Дирака, отвечающая за сохранение энергии при оптических переходах, заменялась функций Лоренца -1 (Ef - Ei - )2 +, где Ei и Ef — энергии начального и конечного состояний электрона, — энергия фотона, — параметр уширения. Параметр в отношении обсуждаемого эксперимента грубо отражает неоднородное уширение линий. Чтобы выяснить, в какой степени выбор влияет на сечение поглощения ИК излучения в различных спектральных диапазонах, расчеты были сделаны для двух его значений, 1 и 3 мэВ, Рис. 7. Сечение оптического поглощения на переходах из при положении донора в центре квантовой ямы (рис. 7).

основного состояния донора в 2D и 3D состояния для Кроме того, на рисунке показано сечение поглощения, циркулярно поляризованной в плоскости слоев (штриховычисленное усреднением по положению доноров [8], вая линия, 1, 2) и линейно поляризованной перпендикулярраспределенных вдоль оси роста гетероструктуры по но слоям роста (3, 4) электромагнитной волны для струкзакону Гаусса. Указанный метод учитывает только неодтуры In0.17Ga0.83As/GaAs с легированной квантовой ямой нородное уширение линий поглощения, возникающее In0.17Ga0.83As шириной 7 нм. Штриховая кривая — сечение вследствие зависимости спектра примеси от ее положефотоионизации в 2D состояния доноров, распределенных по ния в квантовом слое.

закону Гаусса симметрично относительно середины слоя с дисВ приведенных расчетах такой важный механизм ушиперсией 2 нм. Для сравнения показано сечение фотоионизации рения линий, как взаимное влияние примесных центров, донора, расположенного в центре квантовой ямы, при одноне учитывался прямо, а поэтому результаты расчетов родном уширении его основного состояния = 1мэВ (1, 3) и сечений поглощения носят сугубо оценочный характер. = 3мэВ (2, 4).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Терагерцовая люминесценция гетероструктур на основе GaAs с квантовыми ямами при оптическом... ницам, сравнительно велико для энергий фотонов, кото- Список литературы рые примерно соответствуют расстоянию между подзо[1] O. Gauhier-Lafaye, P. Boucaud, F.H. Julien, S. Sauvage, нами или фотоионизации квантовой ямы. С учетом этого S. Cabaret, J.-M. Lourtioz, V. Thierry-Mieg, R. Planel. Appl.

обстоятельства в проведенных экспериментах излучение Phys. Lett., 71 (25), 3619 (1997).

CO2-лазера заводилось в торец гетероструктур для обес[2] J. Faist, F. Capasso, S. Sirtori, D. Sivco, A. Hutchinson, A. Cho.

печения эффективности оптического возбуждения.

Nature (London), 387, 777 (1997).

Для частот, меньших чем частоты межподзонных [3] V.N. Shastin, E.E. Orlova, R.Kh. Zhukavin, S.G. Pavlov, переходов (в нашем случае это диапазон фотоиндуциH.-W. Hbers, H. Riemann. In: Towards the First Silicon рованного излучения), эффекты оптических переходов, Laser, ed. by L. Pavesi et al. (Kluwer Academic Publishers, напротив, должны быть максимально выражены при 2003) p. 341.

поляризации электромагнитной волны в плоскости кван[4] C.J. Johnson, G.H. Sherman, R. Weil. Appl. Optics, 8, товой ямы. Здесь проявляется специфика 2D структур, (1969).

когда пространственное ограничение в квантовой яме [5] Rdeger Khler, Alessandro Tredicucci, Fabio Beltram, оказывает существенное влияние на волновые функции Harvey E. Beere, Edmund H. Linfield, A. Giles Davies, состояний электронов. В результате дипольные моDavid A. Ritchie, Sukhdeep S. Dhillon, Carlo Sirtori. Appl.

менты, соответствующие оптическим переходам между Phys. Lett., 82, 1518 (2003).

локализованными состояниями и примесно-зонным пе- [6] N.A. Bekin, L.V. Krasilnikova, S.G. Pavlov, V.N. Shastin. Phys.

реходом, выстраиваются почти строго вдоль квантовых Status Solidi С, 0 (2), 661 (2003).

слоев. [7] Н.А. Бекин. Матер. совещ. „Нанофотоника“ (Н. Новгород, 2004) с. 55.

[8] R.L. Greene, K.K. Bajaj. Phys. Rev. B, 34, 951 (1986).

4. Заключение [9] M. Rochat, M. Beck, J. Faist, U. Oesterle. Appl. Phys. Lett., 78, 1967 (2001).

Представленные данные измерений указывают на [10] J. Ulrich, R. Zobl, N. Finger, K. Unterrainer, G. Strasser, возможности формирования инвертированной функции E. Gornik. Physica B, 272, 216 (1999).

распределения электронов и связанных с ней эффек[11] C. Sirtori, A.A. Tredicucci, F. Capasso, J. Faist, D. Sivco, тов усиления на примесно-зонных переходах донорных A. Hutchinson, A. Cho. Optics Lett., 23, 463 (1998).

центров кремния в селективно легированных квантоРедактор Л.В. Шаронова во-размерных структурах GaAs/InGaAs и InGaAsP/GaAs с квантовыми ямами при внутризонном оптическом THz luminescence from GaAs based QW возбуждении излучением CO2-лазера. Для достижения эффектов стимулированного излучения можно исполь- heterostructures under photoexcitation зовать резонатор на отражении от сколов структуры, of donor centers но при этом необходимо увеличить фактор перекрытия N.A. Bekin, R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky, активной среды с волноводной модой, поджав ее к S.G. Pavlov, B.N. Zvonkov, E.A. Uskova, V.N. Shastin гетероструктуре, чего можно достичь, используя специально выращиваемый для этого сильно легированный Institute for Physics of Microstructures, слой GaAs [9–11]. В заключение хотелось бы указать Russian Academy of Sciences, на вариант, когда оптическое возбуждение инвертиро603950 Nizhny Novgorod, Russia ванного распределения электронов на переходах с 2D Physico-Technical Research Institute, состояний квантовых ям на локализованные состояния Nizhny Novgorod State University, примесных центров можно заменить накачкой электри603600 Nizhny Novgorod, Russia ческим током в условиях резонансного туннелирования.

Речь идет о многослойных структурах с -легированием

Abstract

THz spontaneous emission ( 3-3.5THz) based on барьерных слоев, в которых резонансные состояния 2D-continuum-shallow donor (Si) states transitions has been кулоновских центров расположены между двумя слаinvestigated from both GaAs/InGaAs : Si and GaAs/InGaAsP : Si бо связанными квантовыми ямами. В соответствующих selectively doped heterostructures under CO2 laser excitation at схемах можно избежать сложной системы квантовых the liquid helium temperature. It is shown that the popuям переменной толщины, что значительно усложняет lation inversion and the amplification with the coefficient up конструкцию существующих квантово-каскадных лазеto 100-300 cm-1 per active layer can be realized for the ров на межподзонных переходах, и добиться большей planar doping level ND 1011 cm-2 in multilayer structures with эффективности процессов стимулированного излучения благодаря большему сечению усиления на рабочих пе- 50 periods of quantum wells under the pump flux density реходах, а также уменьшению отрицательного фактора 1023 quant/cm2· s.

электрон-электронных столкновений.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 02-02-16790, 03-02-16775, РФФИ-ННИО № 03-02-04010, а также Совета по грантам Президента Российской Федерации (грант № МК-2442.2003.02).

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

Pages:     | 1 ||



© 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.