WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Внутризонное поглощение и излучение света в квантовых ямах и квантовых точках © Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, S. Hanna, A. Seilmeier, Kh. Moumanis, F. Julien, А.Е. Жуков, В.М. Устинов Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Physikalisches Institut, Universitt Bayreuth, 95440 Bayreuth, Germany Institut d’Electronique Fondamentale, Universite Paris-Sud, 91405 Orsay, France Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: LVor@rphf.spbstu.ru Спектроскопия высокого временного разрешения в средней инфракрасной области спектра при пикосекундном межзонном возбуждении использована для исследования электронных переходов между подзонами размерного квантования в ступенчатых квантовых ямах. Выделены вклады межподзонного и внутриподзонного поглощения света благодаря разной временной зависимости коэффициента поглощения для этих случаев. В ступенчатых квантовых ямах исследованы спонтанная межзонная люминесценция и суперлюминесценция при различных уровнях возбуждения. В структурах с квантовыми точками исследованы спектры внутризонного поглощения для структур n- и p-типов, а также спектры фотоиндуцированного внутризонного поглощения и эмиссии излучения в нелегированных структурах для поляризованного излучения.

Работа выполнена при финансовой поддержке INTAS, Российского фонда фундаментальных исследований, Минпромнауки РФ и Минобразования РФ.

В полупроводниковых наноструктурах с квантовы- 1. Внутризонное поглощение света ми точками (КТ) и ступенчатыми квантовыми ямав КЯ: исследования с высоким ми (КЯ) возможно появление инверсии населенности временным разрешением между уровнями или подзонами размерного квантования при инжекции электронов и дырок. Предложена Исследовались структуры с 35 слоями нелегировансхема лазера среднего ИК диапазона, основанного на ных квантовых ям GaAs / AlxGa1-x As, разделенных бавнутризонных переходах электронов в трехуровневых рьерами толщиной 20 nm. Профиль потенциала одиночступенчатых КЯ или КТ [1]. Метастабильный уровень, ной КЯ приведен на вставке к рис. 1, a. Неравновесные необходимый для возникновения инверсии населенноэлектроны возбуждались в структуре с помощью мощности, формируется в КЯ, благодаря специально выбранного лазера накачки на Nd : YLF ( = 523.5nm, t = 4ps).

му профилю потенциала, обеспечивающему слабое переСинхронизированные с накачкой импульсы зондирующекрытие волновых функций взаимодействующих уровней го излучения среднего ИК диапазона ( = 4... 18 µm) и ослабление рассеяния на оптических фононах, а в формировались с помощью нелинейного элемента. ИсКТ — благодаря эффекту фононного узкого горла.

следования проводились при T = 300 K.

Для создания подобного лазера необходимы исследоНа рис. 1 приведены результаты измерений изменевания энергетического спектра носителей заряда, врения внутризонного поглощения для различных частот мен жизни и механизмов релаксации электронов в КТ зондирующего излучения и различных временных сдвии КЯ.

гов зондирующего импульса относительно импульса наВ настоящей работе приводятся результаты исследокачки. Наблюдаемое светоиндуцированное поглощение вания различных оптических явлений при оптическом содержит вклады как от межподзонных переходов, так и межзонном возбуждении неравновесных e-h-пар в стуот внутриподзонного поглощения на свободных электропенчатых КЯ InGaAs / AlGaAs и КТ InAs / GaAs: межнах. Положение полосы поглощения, наблюдаемой при зонной фотолюминесценции (ФЛ) при высоких уров = 99 meV, близко к расчетному значению 111.6 meV нях возбуждения, в том числе с временным разредля переходов e2-e3. Несоответствие может быть свяшением в пикосекундном диапазоне, суперлюминесзано с отклонением параметров структуры от расчетных ценции, внутризонного поглощения и внутризонной и с влиянием на энергетический спектр многочастичных спонтанной эмиссии излучения среднего ИК диапаэффектов, которые не учитывались в расчетах.

зона.

120 Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин...

Внутриподзонное поглощение на свободных электронах вне полосы переходов e2-e3 обусловлено рассеянием на равновесных и неравновесных LO-фононах. После окончания импульса накачки оно довольно велико, затем уменьшение температуры электронов и уменьшение числа неравновесных фононов приводят к уменьшению поглощения.

Анализ полученных данных дает возможность найти время остывания электронов, определяемое временем жизни неравновесных LO-фононов при больших временах задержки и временем испускания фонона при малых временах.

2. Фотолюминесценция в КЯ при мощном пикосекундном возбуждении Исследованы структуры с тремя периодами ступенчатых КЯ. Ширина узкой КЯ In0.2Ga0.8As / Al0.2Ga0.8As составляла 6 nm, ширина широкой КЯ Al0.2Ga0.8As / Al0.28Ga0.72As — 21.2 nm, слои с КЯ были разделены барьерами Al0.28Ga0.72As по 20 nm.

Данные слои располагались в центре волновода, сформированного слоями AlGaAs с переменным составом и встроенного в i-слой p-i-n-структуры.

Рис. 1. Спектры изменения поглощения в КЯ для разных Образцы оптически возбуждались второй гармоникой задержек (a) и динамика изменения поглощения для различ- импульсного лазера на Nd : YLF ( = 523.5 nm, энергия ных частот зондирующего излучения (b). На вставке —схема импульса 4.5 µJ, t = 3.2ps).

переходов.

Высокий уровень возбуждения ФЛ пикосекундными лазерными импульсами позволил обеспечить заметную населенность высоколежащих подзон размерного квантования. Наблюдению межзонных переходов электронов Уровень накачки соответствовал поверхностной плотности неравновесных электронов более чем 5 · 1012 cm-2 с верхних уровней способствовал также эффект сверхлюминесценции.

в расчете на 1 КЯ. При столь высоком уровне возРезультаты исследования поверхностной ФЛ представбуждения происходит заполнение не только основной лены на рис. 2. При определенных условиях в спектре подзоны e1, но и возбужденных состояний e2 и e3, четко выражены пики, которые могут быть связаны со что позволяет наблюдать межподзонное поглощение при сверхлюминесценцией. Это явление может наблюдаться переходах e2-e3.

Обнаруженная разная временная зависимость меж- при высоком уровне возбуждения за счет усиления стимулированного излучения в волноводе, даже в отсутподзонного поглощения в центре полосы ( probe = ствие резонатора [2]. При этом для усиления излучения = 99 meV) и вне ее ( probe = 104 meV). Поглощение требуется достаточная длина пробега световой волны, в центре полосы увеличивается со временем после окончания импульса накачки, поглощение вне поло- из-за этого при уменьшении размеров области возбуждения сверхлюминесценция исчезает, и наблюдаются сы, наоборот, уменьшается. Эти эффекты могут быть только широкие полосы спонтанной ФЛ. Спектральные объяснены сильным нагревом электронного газа во положения линий ФЛ удовлетворительно согласуются время действия импульса накачки. Высокий уровень с расчетом энергий межзонных переходов в КЯ и накачки и большая энергия кванта излучения накачки приводят к сильному разогреву электронного газа и барьерах.

появлению неравновесных LO-фононов, замедляющих При высоких уровнях возбуждения в процессе энергепроцессы остывания электронов. Оценки дают величину тической релаксации горячих электронов число неравTe 5000 K для электронной температуры сразу по- новесных LO-фононов возрастает до такой величины, сле окончания импульса накачки. При этом электроны что скорость релаксации энергии электронов падает на распределены между верхними подзонами. Остывание один-два порядка. C другой стороны, в данных условиях электронного газа приводит к уменьшению концентра- время жизни неравновесных электронно-дырочных пар ции электронов в подзоне e3 и к увеличению элек- по отношению к межзонной рекомбинации невелико тронной концентрации в подзоне e2, что и приводит к (порядка 100 ps). Время релаксации энергии электронов росту коэффициента поглощения при переходах e2-e3. и время жизни становятся близкими по величине, в Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Внутризонное поглощение и излучение света в квантовых ямах и квантовых точках результате амплитуды пиков, связанных с высоколежащими возбужденными состояниями, и основного пика оказываются сравнимыми. Зависимость интегральной интенсивности ФЛ от интенсивности накачки I сублинейна при I > 109 W/ cm2, когда роль Оже-процессов в межзонной рекомбинации становится существенной.

Наблюдение ФЛ с торца структуры в направлении распространения волноводной моды приводит к уеличению измеряемого сигнала на два порядка. Это позволяет исследовать сверхлюминесценцию более детально.

Измеренные спектры ФЛ в неполяризованном свете приведены на рис. 3. При достаточно высоких уровнях накачки ярко выраженные линии сверхлюминесценции наблюдаются одновременно для всех спектральных областей, соответствующих межзонным переходам.

3. Внутризонное поглощение и эмиссия света в квантовых точках Исследовались легированные и нелегированные структуры с 15 слоями КТ InAs, покрытых слоями In0.12Ga0.88As, в матрице GaAs. Поверхностная плотРис. 2. Спектры поверхностной ФЛ (a). Расстояние между линзой (фокусное расстояние 100 mm) и поверхностью образца, mm: 1 — 125, 2 — 105, 3 — 100. Стрелки указывают расчетные значения энергий межзонных переходов. Спектры ФЛ с торца структуры (b). Энергия импульсов накачки, µJ:

1 — 0.062, 2 — 4.5. Область возбуждения 0.075 3 mm.

Стрелки указывают расчетные значения энергий межзонных переходов.

Рис. 4. Спектр поглощения фонового излучения, связанный с межуровневыми переходами электронов в нелегированных Рис. 3. Спектры фотоиндуцированного поглощения в нелеги- КТ (a); зависимость поглощения в пике от интенсивности рованных КТ. На вставке — спектр ФЛ. накачки (b).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 122 Л.Е. Воробьев, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин...

ность точек в одном слое составляла 3 · 1010 cm-2. Нелегированная структура предназначена для дальнейших исследований в условиях генерации стимулированного межзонного излучения, поэтому в ней КТ были помещены в волновод, образованный слоями AlGaAs переменного состава. Образцы для исследования поглощения света изготавливались в многопроходной геометрии.

Неравновесные носители заряда создавались при межзонной оптической накачке излучением Ar лазера.

На рис. 3 приведен спектр фотоиндуцированного внутризонного поглощения света в нелегированном образце. Особенности в спектре хорошо коррелируют с рассчитанными положениями энергий межуровневых внутризонных оптических переходов и величин соответствующих матричных элементов.

Фоновое излучение среднего ИК диапазона, проходящее через образец, модулируется при межзонной подсветке, благодаря изменению коэффициентов поглощения и отражения света, связанных как с неравновесными свободными носителями заряда, так и с носителями заряда, захваченными в КТ. Вычитая из полученных спектров часть, связанную со свободными электронами, можно определить вклад межуровневых переходов электронов в КТ в фотоиндуцированное поглощение (рис. 4, a). Отрицательные пики на рис. 4, a могут быть связаны с вкладом спонтанного излучения при межуровневых переходах, а положительный — с поглощением, которое насыщется при высоких уровнях накачки (рис. 4, b).

При исследовании внутризонного поглощения света в легированных образцах без межзонной подсветки наблюдалось поглощение света p-поляризации для электронов и света s- и p-поляризаций для дырок.

Интенсивности поглощения для электронов и дырок были близки. Последний результат плохо согласуется с теоретическим расчетом, дающим меньшую вероятность для дырочных переходов. Отметим, что дырочное поглощение отсутствует в спектрах фотоиндуцированного поглощения. Это может быть связано с низкой концентрацией дырок при фотовозбуждении нелегированного образца.

Список литературы [1] A. Kastalsky, L.E. Vorobjev, D.A. Firsov, V.L. Zerova, E. Towe.

IEEE Journal of Quantum Electronics 37, 10, 1356 (2001).

[2] В.Я. Алешкин, С.А. Ахлестина, Б.Н. Звонков, Н.Б. Звонков, Е.Р Линькова, И.Г. Малкина, Ю.Н. Сафьянов, Д.Г. Ревин.

ФТП 29, 4, 590 (1995).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.




© 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.