WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

состояниями HH и LH (H1 L2 или L1 H2, H4) По мере роста волнового вектора k состояния тяжев случае x-поляризации и внутризонные (H1 H2, лых и легких дырок смешиваются, и переходы между H1 H4 или L1 L2) в случае z-поляризации. любыми состояниями становятся возможными. При доФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 88 С.А. Стоклицкий, В.Н. Мурзин, Ю.А. Митягин, Б. Монемар, П.О. Хольц ростом доли In (1 - x) (Ev = 390 мэВ для x = 0.и Ev = 486 мэВ для x = 0.32).

Таким образом, интенсивность оптических межподзонных переходов в напряженных квантовых ямах значительно увеличивается для x-поляризации (нормальное падение света), когда основное состояние является тяжелодырочным, и для z-поляризации, когда основное состояние является легкодырочным.

4. Спектры межподзонного поглощения в напряжнной квантовой яме In1-xGaxAs/InP Для определения коэффициента поглощения необходимо просуммировать интенсивности переходов между Рис. 4. Рассчитанные волновые функции для нижних состояотдельными подзонами m и n:

ний тяжелых и легких дырок в ненапряженной квантовой яме In1-xGaxAs/InP, x = 0.47, k = 0, w = 80.

() = mn(). (17) m,n В данной работе мы рассматриваем для простоты слустаточно больших значениях k обе матрицы P и Q чай нулевой температуры, принимая значение функции распределения в уравнении (9) f (k ) = 1 E < Ef и дают вклад в вероятность переходов. Рассматривая важf (k ) = 0 для E > Ef. -функция в уравнении (9) ный случай нормального падения света (x-поляризация), заменялась при вычислениях нормализованной Лоренможно заметить, что все вероятности переходов значицовой функцией [14,7,8] (E) = (/2)(E2 +2/4)-тельно увеличиваются в случае сжатия (содержание Ga с типичной шириной контура = 8 мэВ. С целью x < 0.47), когда основное состояние является тяжелоисследования эффектов напряжения были рассчитаны дырочным. Напротив, величины матричных элементов спектры нормального падения для 80 квантовой ямы оптических переходов уменьшаются в случае растяжения In1-xGaxAs/InP при различных значениях параметра x.

(x > 0.47), когда основное состояние является легким.

При выполнении интегрирования по k двумерная плотКак можно видеть из рис. 3, c, вероятности переходов ность дырок в квантовой яме предполагалась фиксироимеют особенно маленькие значения в диапазоне со ванной и равной 1012 см-2.

ставов x 0.5-0.6, когда нижнее состояние явля= Вычисленные спектры нормального падения для разется сильно смешанным. Описанный эффект влияния личных составов системы In1-xGaxAs представлены на напряжения на оптические переходы может быть понят рис. 5, a и b. В случае ненапряженной (x = 0.47) с учетом изменения эффективной массы в плоскости и сжатой решетки (x < 0.47) (см. рис. 5, a) спекквантовой ямы. Так как вероятность переходов wnn для тры выглядят аналогично и доминирующими переходами x-поляризации определяется матричными элементами являются H1 H3 (h 100 мэВ) и H1 L n |e · vx|n, можно записать в первом приближении En(k ) (h 200-300 мэВ). При увеличении сжатия поwnn (k ) vxn(k ) =. В самом деле, из сравнения k глощение в важном с точки зрения приложений спекрис. 3, 2 с рис. 1 можно видеть, что высокие вероятности тральном диапазоне h 100 мэВ ( 10 мкм) переходов соответствуют большим значениям обратной зрачительно возрастает, что обусловлено возрастанием E1(k ) эффективной массы в случае деформации сжадипольных матричных элементов оптических переходов k тия (основное состояние — тяжелодырочное) и низкие (см. предыдущий параграф). Как видно из рис. 5, a, E1(k ) пиковый коэффициент поглощения достигает значений вероятности переходов — малым значениям в k L 0.005, что соответствует значительной величине случае деформации растяжения (основное состояние — L объемного поглощения = 6000 см-1. Сильный L легкодырочное).

сдвиг доминирующего пика H1 L2 в сторону высоких E1(k ) Дисперсия основного состояния особенно частот обусловлен увеличением энергетического зазора k мала при сильном смешивании нижних состояний между тяжелой и легкой подзонами.

(x 0.5-0.6), что приводит к резкому ослаблению Картина радикально меняется в случае деформации поглощения света при нормальном падении. Отметим растяжения (x > 0.47). Как видно из рис. 5, b, также два других фактора, существенно влияющих на общее инфракрасное поглощение в сильно растянутой интенсивность дырочного межподзонного оптического квантовой яме (x = 0.67) значительно ниже, чем в поглощения в системе InGaAs: увеличение значений недеформированной структуре в соответствии с меньпараметров Латтинджера и глубины квантовой ямы с шими значениями оптических матричных элементов Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № Оптические межподзонные переходы в напряженных квантовых ямах... Рис. 5. Спектры оптического поглощения в квантовой яме при Рис. 6. Спектры нормального падения для различных сонормальном падении для различных составов In1-xGaxAs/InP ставов квантовой ямы состава In1-xGaxAs/InP при T = 0K.

при T = 0K. a — x = 0.47 (ненапряженная решетка);

a — x = 0.47 (ненапряженная решека); x = 0.37, 0.32 (сжаx = 0.42, 0.37 0.32 (сжатие); b — x = 0.47 (ненапряженная тие); b — x = 0.47 (ненапряженная решека); x = 0.57, 0.решека); x = 0.52, 0.57, 0.67 (растяжение). Концентрация (растяжение). Уровень Ферми постоянен и равен 6 мэВ.

дырок постоянна и равна 1012 см-2.

(см. рис. 3, d). Как видно из рис. 3, c, вероятности оптиче- основное состояние становится чисто легкодырочным ских переходов особенно сильно уменьшаются в случае и доминирующими переходами становятся L1 Hнебольших растяжений (x = 0.5-0.6). Наблюдаемый и L1 H4.

эффект, очевидно, обусловлен сильным взаимодействием Обсуждаемые выше результаты получены в преди смешиванием нижних дырочных состояний L1 и H1 положении постоянной двумерной плотности дырок (эффект ”антипересечения”, см. рис. 1, b), приводящим (1012 см-2). В некоторых работах влияние деформации к значительному падению величины оптических матрич- на оптическое поглощение анализировалось в предпоных элементов (см. предыдущий раздел). Более того, ложении фиксированного уровня Ферми [7]. Чтобы сильное смешивание дырочных состояний приводит к сопоставить результаты двух различных подходов в данэлектронноподобной эффективной массе вблизи начала ной работе были выполнены также расчеты коэффицикоординат в k-пространстве [21,15,16]. Вследствие этого ента поглощения при фиксированном значении энергии при низких температурах дырки занимают нижайшие уровня Ферми дырок (6мэВ), соответствующем вариаэнергетические состояния при ненулевых значениях вол- ции двумерной плотности дырочного газа в диапазоне нового вектора k 0.03-0.04 ()-1, где значения ма- 1011-1012 см-2 (рис. 6). Как видно из рис. 6, b, при тричных элементов значительно меньше, чем при k 0. фиксации уровня Ферми инфракрасное поглощение в При дальнейшем увеличении растяжения (x > 0.6) растянутой квантовой яме значительно возрастает при Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 90 С.А. Стоклицкий, В.Н. Мурзин, Ю.А. Митягин, Б. Монемар, П.О. Хольц энергиях фотона порядка 100 мэВ, что идентично ре- [6] S.D. Gunapala, B.F. Levin, D. Ritter, R. Hamm, M.B. Panish.

J. Appl. Phys., 71, 2458 (1992).

зультатам работы [7]. Очевидно, что наблюдаемое воз[7] H. Xie, J. Katz, W.I. Wang. Appl. Phys. Lett., 59, 3601 (1991).

растание поглощения связано с увеличением плотности [8] H. Xie, J. Katz, W.I. Wang, Y.C. Chang. J. Appl. Phys., 71, состояний нижней подзоны легких дырок (см. рис. 1, b) 2844 (1992).

(при фиксированном значении уровня Ферми 6 мэВ из[9] J. Katz, Y. Zhang. W.L. Wang. Electron. Lett., 28, 932 (1992).

менение атомной доли Ga от 0.47 до 0.67 соответствует увеличению концентрации дырок nh от 2.5 · 1011 см-2 [10] Y.H. Wang, Sheng S. Li., J. Chu, Pin Ho. Appl. Phys., Lett., 64, 727 (1994).

до 2.2 · 1012 см-2). Таким образом, сравнение спектров [11] P. Man, D.S. Pan. Appl. Phys. Lett., 61, 2799 (1992).

поглощения, вычисленных при фиксированном уровне [12] L.C. Chiu, J.S. Smith, S. Margalit, A. Yariv, A.Y. Cho. Infr.

Ферми, отражает главным образом значительное измеPhys., 23, 93 (1983).

нение плотности состояний нижней дырочной подзоны.

[13] A. Pinczuk, D. Heiman, R. Sooryakuman, A.C. Gossard, Поскольку в типичных квантовых структурах, создан- W. Wiegmann. Surf. Sci., 170, 573 (1986).

[14] Y.C. Chang, R.B. James. Phys. Rev. B, 39, 12 672 (1989).

ных для инфракрасных приложений, концентрация дырок [15] S.L. Chuang. Phys. Rev. B, 43, 9649 (1991).

определяется уровнем легирования области квантовой [16] C.Y.-P. Chao, S.L. Chuang. Phys. Rev. B, 46, 4110 (1992).

ямы и не зависит от величины встроенной деформации, [17] S.A. Stoklisky, P.O. Holtz, B. Monemar, Q.X. Zhao, анализ спектров поглощения, вычисленных при фикT. Lundstrom. Appl. Phys. Lett., 65, 1706 (1994).

сированной концентрации дырок, представляется более [18] J.M. Luttinger, W. Kohn. Phys. Rev., 97, 869 (1955).

уместным.

[19] D.A. Broido, L.J. Sham. Phys. Rev., B, 31, 888 (1985).

Расчеты спектров поглощения, выполненные для раз[20] M. Altarelli, U. Ekenberg, A. Fasolino. Phys. Rev. B, 32, личных фиксированных концентраций дырок в диапазоне (1985).

nh = 1010-1012 см-2 и уровней Ферми Ef = 5-20 мэВ, [21] R. Eppenga, M.F.H. Schuurmans, S. Colak. Phys. Rev. B, 36, показали качественно такие же зависимости от деформа1554 (1987).

ции, как представлено выше. [22] A. Twardowsky, C. Herman. Phys. Rev. B, 35, 8144 (1987).

[23] L.C. Andreani, A. Pasquareloo, F. Bassani. Phys. Rev. B, 36, 5887 (1987).

5. Заключение [24] R. Eppenga, M.F.H. Schuurmans, S. Colak. Phys. Rev. B, 36, 1554 (1987).

[25] K. Suzuki, J.C. Hensel. Phys. Rev. B, 9, 4184 (1974).

В данной работе теоретически исследовано инфракрас[26] A.G. Petrov, A. Shik. Phys. Rev. B, 48, 11 883 (1993).

ное поглощение в напряженных квантовых ямах p-типа [27] Numerical Data and Functional Relathionship in Science на основе In1-xGaxAs/InP-структур для обоих возможных and Technology, ed. by K.-H. Hellwege, Landolt–Bornstein, типов деформаций (растяжения и сжатия). Обнаружено, New Series, Group III (Springer, Berlin, 1982) vol. 17A;

что в условиях нормального падения поглощения сущеGroups III–V (Springer, Berlin, 1986) vol. 22a.

ственно возрастает в случае деформации сжатия (когда Редактор В.В. Чалдышев основное состояние имеет тяжелодырочный характер характер) и уменьшается в случае деформации растяжения (основное состояние — легкодырочное). Пиковое Optical intersubband transitions поглощение в квантовой яме в условиях сжатия может in strained In1-xGaxAs/InP quantum wells достигать значительных величин порядка 5000 см-1 при S.A. Stoklisky, V.N. Murzin, Yu.A. Mityagin, концентрации дырок 1012 см-2, что делает привлекаB. Monemar, P.O. Holtz тельным использование ”сжатых” квантовых ям p-типа для детектирования ИК излучения.

P.N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Работа выполнена при финансовой поддержке 117924 Moscow, Russia Российского фонда фундаментальных исследований Linkuping University, (№ 96-02-18593) и межотраслевой научно-технической S-581183 Linkuping, Sweden программы ФТНС (№ 97-1048).

Abstract

The infrared absorption strain effects in p-type Список литературы In1-xGaxAs/InP quantum wells are investigated theoretically for both tensile and compressive types of deformation. It is shown that [1] B.F. Levine, R.J. Malik, J. Walker, K.K. Choi, C.G. Bethea, the normal incidence makes the absorption substantially increase in D.A. Kleinman, J.M. Vandenberg. Appl. Phys. Lett., 50, the case of the compressive strain (the ground state being the heavy (1987).

hole) and decrease in the case of the tensile strain (the ground state [2] L.S. Yu, S.S. Li. Appl. Phys. Lett., 59, 1332 (1991).

being the light hole). The peak of the normal incidence absorption [3] G. Hasnain, B.F. Levine, C.G. Bethea, R.A. Logan, J. Walker, in the compressive strained QW can amount to values of order R.J. Malik. Appl. Phys. Lett., 54, 2515 (1989).

of 5000 cm-1 for the hole density 1012 cm-2, which makes rather [4] J.Y. Andersson, L. Lundqvist. J. Appl. Phys., 71, 3600 (1992).

attractive the use of the ”compressed” p-type quantum wells as [5] B.F. Levine, S.D. Gunapala, J.M. Kuo, S.S. Pei, S. Hui. Appl.

Phys. Lett., 59, 1864 (1991). detectors of IR radiation.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, №

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.