WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1 Исследования электронных переходов в связанных квантовых ямах со встроенным электрическим полем методом спектроскопии фотоотражения ¶ © Г.Б. Галиев, В.Э. Каминский, В.Г. Мокеров, Л.П. Авакянц, П.Ю. Боков, А.В. Червяков, В.А. Кульбачинский Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия Московский государственный университет, 119899 Москва, Россия (Получена 15 апреля 2002 г. Принята к печати 15 апреля 2002 г.) В гетероструктурах со связанными квантовыми ямами и встроенным электрическим полем измерены спектры фотоотражения при комнатной температуре. Определены энергии оптических переходов. Изучены их зависимости от ширины ямы и толщины барьера. Проведено сравнение экспериментальных результатов с теоретически рассчитанными энергиями электронно-дырочных переходов. Для узких ям получено хорошее согласие. В широких ямах одному оптическому переходу соответствует несколько близко расположенных электронно-дырочных переходов.

1. Введение фото- и электроотражения, основанные на регистрации изменения коэффициента отражения R исследуемого Гетероструктуры с квантовыми ямами образца под воздействием электрического поля. В случае AlGaAs/GaAs/AlGaAs в настоящее время широко фотоотражения модуляция R осуществляется измененииспользуются для создания фотодетекторов, оптических ем электрического поля полупроводника при генерации модуляторов, мощных транзисторов и других приборов.

электронно-дырочных пар лазерным излучением.

В оптоэлектронных приборах для получения необхоВ данной работе представлены результаты эксперидимых характеристик часто используются связанные ментальных исследований гетероструктур со связанныквантовые ямы, которые представляют собой две ми квантовыми ямами методом спектроскопии фотоквантовые ямы GaAs, разделенные барьером AlAs [1,2].

отражения. Из экспериментальных спектров фотоотраКак известно, для прямоугольных квантовых ям жения, полученных при комнатной температуре, опревыполняются правила отбора по четности, и интегралы делены энергии оптических переходов и проведено их перекрытия между электронными и дырочными сравнение с теоретически рассчитанными энергиями волновыми функциями равны единице или нулю. Однако электронно-дырочных переходов.

в большинстве случаев квантовые ямы находятся во встроенном и(или) внешнем электрическом поле. В этом случае нет правил отбора по четности и интегралы пе2. Приготовление образцов рекрытия могут принимать любые значения в интервале и измерение спектров от нуля до единицы. Это в свою очередь меняет условия фотоотражения излучения или поглощения света в таких структурах.

Кроме квантования энергетического спектра элекОбразцы для исследований выращивались методом тронов в гетероструктурах типа AlGaAs/GaAs/AlGaAs молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках квантуется спектр фононов. Это, согласно расчетам [3], GaAs (100), разориентированных в направлении[110] должно уменьшить электрон-фононное рассеяние и тем на 2. Сначала выращивался буферный слой GaAs самым привести к повышению подвижности электронов.

толщиной 0.5 мкм. Далее выращивались барьер При определенных размерах квантовых ям введение тонкого барьера AlAs должно значительно уменьшить Al0.22Ga0.78As, квантовая яма GaAs, барьер AlAs, скорость внутриподзонного рассеяния и может привести квантовая яма GaAs, барьер Al0.22Ga0.78As. В конце к дополнительному повышению подвижности [4]. Ре- процесса выращивался защитный cap-слой GaAs зультатом этого может быть улучшение характеристик толщиной 8 нм. Температура роста слоев GaAs и AlAs транзисторов. Все это указывает на актуальность иссле- равнялась 600C, а слоев AlGaAs — 640C. Отношение дования квантовых ям с тонкими барьерами.

потоков мышьяка и галлия в зоне роста было равно 30.

Для исследования электронных состояний в гетероТолщина барьеров AlGaAs во всех структурах была структурах широко используются методы фотолюминесодинаковой и равнялась 30 нм. Ширина обеих квантовых ценции [5–8], спектроскопии поглощения [2,9], а также ям в каждой структуре была одинаковой. Толщина методы модуляционной спектроскопии [10,11]. Из побарьера AlAs и суммарная толщина квантовых ям для следних наибольшее распространение получили методы исследованных структур приведены в таблице. Для ¶ E-mail: kamin@mail.cplire.ru сравнения результатов часть структур выращена без 78 Г.Б. Галиев, В.Э. Каминский, В.Г. Мокеров, Л.П. Авакянц, П.Ю. Боков...

Продолжение таблицы барьерного слоя AlAs. В процессе роста гетероструктуры специально не легировались. Непреднамеренное E фоновое легирование, по нашим оценкам, было № W Lb Eg M2 Тип образца нм нм эВ перехода донорного типа с концентрацией 5 · 104 см-3.

эксперимент расчет 1.Параметры образцов, экспериментально измеренные и рассчи- 1.431 1.438 0.467 2e-1hh танные энергии оптических переходов для квантовых ям 1.452 0.595 1e-2lh 1.457 1.454 0.685 2e-1lh E № W Lb Eg 1.455 0.164 1e-3hh M2 Тип образца нм нм эВ перехода эксперимент расчет 1.455 0.12 2e-2hh 56M 26 0.5 1.413 1.475 0.15 1e-3lh 1.415 0.172 1e-1lh 1.421 1.416 0.136 1e-2hh 1.523 0.186 2e-2lh 1.428 0.268 1e-3hh 1.526 1.526 0.298 3e-3hh 1.528 0.128 4e-2hh 1.431 0.317 2e-1hh 1.439 0.332 1e-4hh 1.579 0.179 3e-4lh 1.437 1.441 0.531 1e-2lh 1.586 0.198 4e-3lh 1.444 0.541 2e-1lh 1.1.446 0.266 2e-2hh 1.45 0.155 1e-5hh 1.408 0.102 1e-4hh 1.41 0.2 1e-2lh 1.464 0.278 3e-1hh 1.413 1.411 0.22 2e-1lh 1.468 1.468 0.254 1e-3lh 1.413 0.128 2e-2hh 1.477 0.125 3e-1lh 1.418 0.176 1e-5hh 45M 26 0 1.42 1.491 0.149 3e-3hh 1.422 0.227 3e-1hh 1.498 0.245 2e-3lh 1.426 0.267 2e-3hh 1.514 1.504 0.239 3e-2lh 1.432 0.414 1e-3lh 1.522 0.135 4e-2hh 1.425 1.435 0.448 3e-1lh 1.533 0.12 2e-4lh 1.437 0.196 2e-4hh 1.437 0.25 3e-3hh 1.561 1.574 0.175 4e-3lh 1.438 0.391 2e-2lh 1.608 1.609 0.022 4e-4lh 1.448 0.287 4e-1hh 1.65 0.128 4e-5lh 1.451 1.454 0.278 1e-4kh 1.1.462 0.178 4e-1lh 1.437 1.443 0.595 1e-3hh 58M 35 0 1.413 1.471 0.129 3e-5hh 1.443 0.505 2e-1hh 1.476 0.104 4e-3hh 1.46 0.113 1e-2lh 1.479 1.482 0.184 2e-4lh 1.462 0.609 2e-1lh 1.484 0.221 3e-3lh 1.488 0.197 4e-2lh 1.46M 26 1.8 1.414 1.522 0.197 3e-3hh 1.514 1.509 0.146 2e-5lh 1.54 0.213 3e-4hh 1.533 0.14 3e-5lh 1.541 0.127 4e-1hh 1.58 0.127 4e-1hh 1.551 1.543 0.105 5e-3lh 1.605 1.606 0.178 4e-3lh 1.1.638 0.101 4e-4lh 1.1.1.1.440 0.435 2e-1hh 1.429 1.438 0.191 1e-4hh 1.442 1.456 0.449 1e-2lh 59M 35 1.8 1.413 1.438 0.627 1e-3lh 1.457 0.664 2e-1lh 1.463 1.473 0.165 2e-1hh 1.507 1.512 0.032 1e-4lh 1.525 1.529 0.313 2e-2lh 50M 26 0.9 1.413 1.53 0.133 3e-2lh 1.1.531 0.222 3e-3hh 1.563 0.209 3e-4hh 1.532 0.111 4e-2hh 1.593 0.196 4e-3lh 1.629 1.616 0.101 3e-5lh 1.611 1.621 0.018 3e-5hh Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.

Исследования электронных переходов в связанных квантовых ямах... Продолжение таблицы низкополевой модели Аспнеса [13] dRi E № W Lb Eg (E) =Re A · ei E - Ei + i )-m, (1) M2 Тип Ri образца нм нм эВ перехода эксперимент расчет где A, — амплитудный и фазовый параметры, E — 1.энергия зондирующего излучения, Ei — положение 61M 6.5 0 1.413 1.479 1.48 0.307 1e-1hh спектральной особенности, — параметр уширения, 1.507 0.35 1e-1lh m — величина, определяемая видом критической точки.

Мы использовали значение m = 2 [13]. Определенные 1.таким образом энергии оптических переходов приведены 1.465 1.469 0.173 1e-1hh в таблице. В таблице также приведены эксперимен1.486 1.488 0.316 1e-2hh тально определенные значения ширины запрещенной 1.498 0.386 1e-1lh зоны GaAs в буферном слое.

62M 13 0.5 1.413 1.528 0.534 1e-1lh 1.531 0.154 2e-1lh 1.Поверх- 1.473 0.41 1e-1hh ностный 8 0 1.42 - 1.495 0.447 1e-1lh слой 1.567 0.241 1e-2lh GaAs Спектры фотоотражения регистрировались на автоматизированной установке, описанной ранее [12]. В качестве модулирующего излучения использовалась линия 632.8 нм He-Ne-лазера (мощность 1 мВт). Частота модуляции составляла 370 Гц. Ширина аппаратной функции спектрометра не превышала 1 мэВ.

Спектры фотоотражения приведены на рис. 1–3. Для определения положения линий в спектре каждая из Рис. 2. Спектры фотоотражения образцов с квантовой ямой них аппроксимировалась формулой, соответствующей шириной 26 нм. a– f — особенности, связанные с эффектами размерного квантования в яме.

Рис. 1. Спектры фотоотражения образцов с узкими кван- Рис. 3. Спектры фотоотражения образцов с квантовой ямой товыми ямами. a–c — особенности, связанные с эффектами шириной 35 нм. a–g — особенности, связанные с эффектами размерного квантования в яме. размерного квантования в яме.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 80 Г.Б. Галиев, В.Э. Каминский, В.Г. Мокеров, Л.П. Авакянц, П.Ю. Боков...

рых M2j > 0.1. В таблице также приведены результаты i расчета для квантовой ямы на поверхности cap-слоя.

Однако реальный размер этой ямы отличен от толщины атомарного слоя (в большую сторону) и определяется самосогласованным потенциалом на поверхности. Поэтому для этой ямы результаты имеют скорее ориентировочные значения. Как видно, рассчитанные энергии оптических переходов близки к экспериментально наблюдаемым. Поэтому можно предположить, что они сливаются с оптическими переходами квантовой ямы.

Как следует из зонной диаграммы, экспериментальный спектр представляет собой суммарный спектр фотоотражения от объемного GaAs, защитного cap-слоя, квантоРис. 4. Зонная диаграмма исследованных гетероструктур вой ямы и треугольной ямы для дырок около барьера со встроенным полем.

AlGaAs со стороны объемного GaAs. Как видно из таблицы, для узких ям имеется хорошее согласие меж3. Расчет энергий квантовых ду рассчитанными и экспериментально наблюдаемыми энергиями переходов. Отсутствие в экспериментальных переходов и обсуждение спектрах сигнала от переходов с высокими энергиями экспериментальных результатов (1.507-1.531 эВ), как можно предположить, связано со слабостью сигнала и трудностью его выделения над Так как структуры специально не легировались, поуровнем шумов.

верхностный потенциал создает в них большую область В случае широких ям ситуация несколько иная.

пространственного заряда.

Для указанной концентрации Во-первых, в ямах без барьеров AlAs часть электрондоноров ее толщина составляет 2 мкм. Поэтому исно-дырочных переходов сливается с переходами зоследованные структуры находятся в однородном встрона–зона буферного слоя GaAs. Во-вторых, как видно енном поле Es. Если высоту барьера на поверхности из результатов расчетов (см. таблицу), во всех ямах принять равной 0.7 В, то напряженность поля составляесть группы электронно-дырочных переходов, для котоет 4 · 103 В/см. Зонная диаграмма гетероструктуры для рых разница энергий соседних переходов значительно этого случая приведена на рис. 4.

меньше тепловой энергии kT = 26 мэВ при температуре Для расчета энергий переходов в приближении огиизмерения спектров. В то же время для равновесбающих волновых функций в квантовой яме численно ных условий параметр уширения kT. Причем для решалось уравнение Шредингера каждого из переходов величина, вообоще говоря, 2 разная. Кроме того, при фотоотражении условия не d- - qEsx n(x) =Enn(x), (2) являются равновесными. Для нелегированного GaAs 2m dxравновесные концентрации электронов и дырок очень малы ( 107 см-3). В этих условиях освещение приводит где En — собственные значения энергий, m — эффективк значительному увеличению концентраций электроная масса носителя тока для электронов (e), легких (lh) нов и дырок и к сильному отклонению их функций и тяжелых (hh) дырок. Так как барьеры AlGaAs толстые распределения от равновесного вида. Кроме того, в и туннельно слабо прозрачные, при решении уравнения буферном слое GaAs неравновесные электроны и дырки Шредингера они заменялись на полубесконечные. Для дрейфуют во встроенном поле. Совместное действие обеспечения стационарных решений уравнения Шрединэтих факторов (в разной степени) приводит к дополнигера встроенное поле Es в барьерах принималось равтельному увеличению и меняет условия поглощения ным нулю. Для расчетов было принято, что разрыв дна и отражения для каждого из переходов по сравнению с зоны проводимости на гетеропереходе Ec = 0.62 Eg.

равновесными условиями. Если разность энергий соседДля x = 0.22, согласно [14], имеем Ec = 0.19 эВ. Рених электронно-дырочных переходов E >, то число зультаты расчетов энергий электронно-дырочных переспектральных особенностей в спектре фотоотражения ходов приведены в таблице.

совпадает с числом разрешенных оптических переходов, В таблице также приведены значения квадратов интедля которых M2 не очень мал. Такая ситуация в награлов перекрытия огибающих волновых функций шем случае реализуется в ямах шириной 6.5 и 13 нм.

В широких ямах (26 и 35 нм) E <. В этом случае Mi j = iejh dx.

число линий в спектрах фотоотражения всегда меньше числа электронно-дырочных переходов и зависит от Отметим здесь, что амплитуда A в (1) прямо пропор- амплитудно-фазовых соотношений (1). Очевидно, что циональна M2j. Для широких ям (26 и 35 нм) в таблице в случае близко расположенных переходов E < в i приведены энергии только тех переходов, для кото- спектрах фотоотражения будет наблюдаться одна линия, Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Исследования электронных переходов в связанных квантовых ямах... положение которой совпадает со средним значением ширины. Показано, что для узких ям введение тонкого энергий оптических переходов. Такая ситуация, оче- барьера AlAs в центре является эффективным методом видно, реализуется для экспериментально наблюдаемых получения необходимых энергий оптических переходов посредством изменения его толщины. Проведенный распереходов 1.437 эВ (образец 45M), 1.442 эВ (50M), 1.чет показывает, что в этом случае имеется взаимно однои 1.473 эВ (58M).

значное соответствие между энергиями оптических пеВ случае E число линий в спектре будет реходов и положением линии в спектре фотоотражения.

соответствовать числу разрешенных переходов. ТаДля широких ям эффект введения барьера оказывается кая ситуация, как можно предположить, реализуется значительно слабее. В этом случае оптический переход в для рассчитанных электронно-дырочных переходов 1.спектре фотоотражения является результатом сложения и 1.482 эВ (46M), 1.593 эВ (50M), 1.579 и 1.586 эВ (56M).

нескольких близко лежащих электронно-дырочных переНеобходимо отметить, что при определенных соотноходов, а его положение по энергии зависит как от парашениях параметров амплитуда сигнала фотоотражения метров ямы, так и от величины уширения спектральной может быть меньше уровня шумов. В этом случае линии.

определение энергии оптического перехода становится невозможным. Это, как можно предположить, имеет Работа выполнена при финансовой поддержке Миместо для рассчитанных переходов 1.53-1.532 эВ (50M) нистерства промышленности, науки и технологий РФ по и 1.54, 1.541 эВ (46M).

программе FTNS.

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.