WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 ”LO-фононная” корреляция между спектром пикосекундной суперлюминесценции и особенностями спектра поглощения света в GaAs при нефермиевском распределении носителей заряда, генерированных пикосекундным импульсом света © Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой¶, А.Н. Кривоносов, С.Е. Кумеков, С.В. Стеганцов Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 101999 Москва, Россия Алматинский технологический университет, 480012 Алматы, Республика Казахстан (Получена 8 мая 2001 г. Принята к печати 8 мая 2001 г.) Плотная электронно-дырочная плазма генерировалась в GaAs пикосекундным импульсом света. Во время генерации электронно-дырочной плазмы возникали пикосекундная суперлюминесценция и локальные отклонения спектра поглощения света от рассчитанного для фермиевского распределения электроннодырочной плазмы. Отклонение в спектральной области усиления света (измеренное усиление меньше расчетного) называлось ”дырой”, а отклонение в области поглощения света (измеренное поглощение больше расчетного) называлось ”выступом”. Наблюдалась следующая корреляция. Форма дыры подобна как форме части спектра суперлюминесценции, расположенной в той же спектральной области, что и дыра, так и форме выступа в спектре поглощения. Спектральная ширина выступа, приблизительно равная ширине дыры, и спектральное расположение выступа относительно спектра суперлюминесценции определялись энергией продольного оптического фонона. Описанная корреляция связана с обеднением заселенностей уровней на дне зоны проводимости при суперлюминесценции и приходом электронов на эти уровни путем эмиссии продольных оптических фононов.

Введение возникали интенсивные переходы электронов, путем излучения LO-фононов, на уровни с обедненной инверсВ работе [1] при участии авторов настоящей ста- ной заселенностью. Переходы с излучением LO-фононов оказывались настолько интенсивными, что приводили тьи был предложен физический механизм локального к образованию второго обеднения заселенностей в зоне обеднения заселенностей электронами энергетических проводимости. Это обеднение распологалось выше перуровней в зоне проводимости. Такой механизм должен вого на энергию продольного оптического LO фонона развиваться при пикосекундной суперлюминесценции LO. Оно приводило к локальному по спектру возраи при участии внутризонных электронных переходов станию коэффициента поглощения света, называемому путем эмиссии продольных оптических (LO) фононов.

далее, для краткости, ”выступом” в спектре поглощения.

Представим его действие применительно к следующей Заметим, что описанный механизм обеднения заселенситуации. При комнатной температуре, при межзонном поглощении в тонком ( 1мкм) слое GaAs мощного им- ностей лег в основу объяснения обнаруженной нами [1] пульса света длительностью 10 пс происходила гене- модуляции спектра просветления (усиления прозрачнорация плотной (n = p > 1018 см-3) горячей электронно- сти) слоя GaAs ”фононными” осцилляциями периода:

дырочной плазмы (ЭДП). Во время генерации ЭДП = LO(1 + me/mh), (1) в GaAs возникала суперлюминесценция [2–5], т. е. стимулированное рекомбинационное излучение в активной где me и mh — массы соответственно электрона и тясреде без резонатора. Интенсивность суперлюминесценжелой дырки. Этот механизм был использован также ции, по оценкам, > 108 Вт/см2. Релаксация суперлюмипри объяснении обнаруженных нами в [9] эффектов несценции происходит с характерным временем 10 пс, энергетического транспорта электронов, происходившевзаимосвязанно с релаксацией концентрации и темпераго путем излучения LO-фононов, при пикосекундной туры ЭДП [6,7]. Рекомбинационная суперлюминесценсуперлюминесценции.

ция, предположительно, вызывала обеднение инверсной Хотя в [1] это явно и не говорилось, но очевидно, заселенности энергетических уровней, с которых элекчто обнаруженное тогда обеднение заселенностей из-за троны стимулированно рекомбинируют. Это обеднение электронных переходов с эмиссией LO-фононов означазаселенностей приводило к невыполнению принципа дело, что при этом были сравнимы времена e-LO c-c, тального равновесия и ослаблению экранирования [8] где e-LO — время релаксации электронов на дно зоны электрон–LO-фононного взаимодействия. В результате проводимости, осуществляемой путем излучения элек¶ троном одного LO-фонона; c-c — время внутризонной E-mail: bil@mail.cplire.ru Fax: (095)203 84 14 энергетической релаксации электронов к фермиевскому ”LO-фононная” корреляция между спектром пикосекундной суперлюминесценции и особенностями... распределению, происходящей за счет неупругих столк- рующего (”probe”) импульса — 14 пс, его диаметр новений между носителями. Dp = 0.3 мм. По методике ”excite-probe” измеряли 1 В настоящей работе мы экспериментально обнаружи- спектральную зависимость lg(T /T ) = f ( p), представлявшую уменьшение оптической плотности ли корреляцию между спектром суперлюминесценции GaAs при генерации ЭДП [4], здесь T1 — прозрачность и локальными отклонениями спектра поглощения света от спектра, рассчитанного для фермиевского распреде- фотовозбужденного GaAs. Зондирующий луч проходил ления ЭДП. Различие между расчетным и экспери- через центр фотовозбужденной области слоя GaAs перпендикулярно плоскости слоя. Коэффициент ментальным спектрами наблюдалось в области усиления поглощения света в фотовозбужденном слое GaAs света (экспериментальное усиление меньше расчетного) 1 определяли, пользуясь выражением =[A - lg(T /T )] и в примыкающей к ней области поглощения света ln 10 · d1, где d — толщина слоя GaAs.

(измеренное поглощение больше расчетного). Первое различие называется далее, для краткости, дырой в обла- Отметим, что изменение интенсивности света по сечению возбуждающего луча (то же и зондирующего) сти усиления, а второе различие — выступом в спектре было приблизительно гауссовым. Поэтому неоднородное поглощения света. Обнаруженная корреляция относираспределение в пространстве могли иметь концентралась к спекральной форме и спектральному положению ция и температура ЭДП, а также суперлюминесцентное спектра суперлюминесценции, дыры в области усиления излучение [10,11].

и выступа в спектре поглощения света. Корреляция В работе [1] был сформулирован и экспериментальпредставляется следствием вышеописанного механизма но подтвержден вышеизложенный физический механизм обеднения заселенностей [1].

обеднения заселенностей энергетических уровней в зоне проводимости. В работе [12], в тех же условиях и на том Эксперимент же образце 1 наблюдалась спектральная полоса усиления света в возбужденной области слоя GaAs. Однако Опыты проводились при комнатной температуре.

в обеих этих работах наблюдать явно пикосекундную Исследованные образцы представляли собой гетеросуперлюминесценцию не удалось по следующей причиструктуры Al0.22Ga0.78As-GaAs-Al0.4Ga0.6As, выращенне. Суперлюминесценция распростанялась в радиальном ные молекулярно-лучевой эпитаксией на (100)-подложке направлении, преимущественно вдоль слоя GaAs гетеиз GaAs. Толщина каждого из эпитаксиальных слоев роструктуры, являющейся волноводом. При радиальном 1 мкм. Концентрация фоновых примесей в гетерораспространении суперлюминесцентного излучения его структурах была < 1015 см-3. На площади 44мм2 подинтенсивность существенно падала по мере удаления ложку стравливали. Слои AlxGa1-x As, предназначенные от активной области, а также из-за различных мехадля стабилизации поверхностной рекомбинации и механизмов поглощения света, в частности поглощения на нической прочности, не поглощали свет с < 1.7эВ, ”хвостах” зон в пассивной области слоя GaAs. Поэтому использовавшийся в эксперименте. На образцы было в начале настоящей работы мы экспериментально поднанесено двухслойное антиотражающее покрытие из твердили распространение суперлюминесценции вдоль SiO2 и Si3N4, благодаря которому отражение света, гетероструктуры, фотовозбуждаемой пикосекундным имнаправленного по нормали к поверхности образца, не пульсом света.

превышало 2% в реальных условиях наших эксперименДля указанной цели мы использовали образец 2, тов. ЭДП генерировалась при межзонном поглощении в представлявший такую же гетероструктуру, как и обраслое GaAS мощного возбуждающего (”excite”) импульса зец 1, но совершенно отделенную от подложки. Эта света длительностью 14 пс, падающего на образец под гетероструктура возбуждалась вплотную к ее торцу углом 10 относительно нормали к его поверхности. Диасветовым импульсом с диаметром луча D 0.25 мм, метр фокусного пятна возбуждающего луча составлял чтобы уменьшить поглощение стимулированного реD 0.5 мм в опытах с образцами 1 и 3 и D 0.25 мм в комбинационного излучения в пассивной области слоя опытах с образцом 2.

GaAs. Было зарегистрировано интенсивное, направленБыли измерены спектры излучения из слоя GaAs ное излучение, выходившее из торца гетероструктуры, и спектры поглощения света в GaAs. Спектры подтвердившее распространение суперлюминесценции энергии излучения Ws( ), интегральные по времени, вдоль гетероструктуры. Ширина спектра излучения была измеряли внутри телесного угла 4 по методике, существенно уже ширины спектра спонтанной люминесописанной в [1]. Спектры поглощения света ценции при комнатной температуре. Спектр излучения определяли следующим образом. Измеряли зависимость и диаграмма направленности излучения с энергией фотоA = lg[T0( 1)/T ( p)], характеризующую спектр на s = 1.379 эВ представлены на рис. 1. Направление p оптической плотности A0 невозбужденного образца вдоль слоев гетероструктуры не соответствовало мак(A0 A · ln 10), где T0 — прозрачность невозбужденного симуму излучения на диаграмме направленности. Дело образца; p — энергия фотона зондирующего импульса; в том, что усиление света в активной среде больше 1 — энергия фотона, при которой еще не возникает для излучения, испытавшего многократное полное внуp межзонного поглощения света. Длительность зонди- треннее отражение от границ раздела GaAs/AlxGa1-xAs, 2 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 146 Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.Е. Кумеков, С.В. Стеганцов чем для излучения, распространявшегося параллельно границам. В излучение, выходившее из гетероструктуры ортогонально ее поверхности (на диаграмме направленности при угле = 0), сравнимый вклад давали спонтанное излучение и небольшая доля суперлюминесцентного излучения, вытекавшего из гетероструктуры вследствие некоторого несовершенства ее волноводных свойств.

Отметим, что стимулированное рекомбинационное излучение, выходящее из торца гетероструктуры, иллюстрируемое рис. 1, по своим характеристикам, в том числе по спектру, должно отличаться от суперлюминесценции. Поэтому такое излучение не годится для исследования эффектов, инициируемых суперлюминесценцией.

Отличия от суперлюминесценции возникают, во-первых, из-за отражения излучения от торца, создающего обратную связь, влияющую на характеристики излучения. Рис. 2. Спектр суперлюминесценции из GaAs: 1 — образец 3. Спектры поглощения света в GaAs при d = -3пс:

Во-вторых, из-за поглощения в пассивной области слоя 2 — образец 3; 3 — образец 1. Спектр поглощения при GaAs, которое существенно изменяет спектр излучения фермиевском распределении ЭДП FD( ) (4). Линии 5, в зависимости от расстояния между активной областью поясняются в тексте. ex = 1.558 эВ.

и торцом гетероструктуры, от диаметра луча накачки и т. д.

Для дальнейших опытов мы использовали образец 3.

Эта гетероструктура отличалась от образца 1, испольного излучения. Возбуждая образец 3 так же, как образованного в [1,12], только большей степенью несоверзец 1 в [1,12], мы определили спектр суперлюминесценшенства волноводных свойств. Последнее приводило ции, измеряя излучение, вытекавшее из гетероструктуры к частичному вытеканию суперлюминесцентного излуортогонально ее поверхности (рис. 2). При том же чения через поверхность гетероструктуры. В опытах [5] возбуждении на образце 3 был измерен выступ в спектре с образцом 3 было экспериментально доказано, что поглощения света при времени задержки зондирующего часть суперлюминесцентного излучения, вытекающая из импульса относительно возбуждающего d = -3пс, т. е.

гетероструктуры ортогонально ее поверхности, отобравблизи максимума возбуждающего импульса.

жала существенные характеристики суперлюминесцентРезультаты измерений усиления света и выступа в спектре поглощения в образце 1 тоже представлены на рис. 2, причем более детально, чем это сделано в [12].

Выступ в спектре поглощения образцов 1 и 3 имел приблизительно один и тот же вид. Таким образом, графики на рис. 2, измеренные при одинаковом пикосекундном фотовозбуждении GaAs, дали возможность совместного рассмотрения спектра суперлюминесценции, области усиления света и выступа в спектре поглощения света.

Обсуждение результатов Обсуждение экспериментальных результатов осложнялось отсутствием необходиой теории кинетики нефермиевской ЭДП и пикосекундной суперлюминесценции в активной области слоя GaAs.

При высокой интенсивности суперлюминесценции для некоторой части энергетических уровней, имеющих инРис. 1. Спектр стимулированного рекомбинационного излучеверсную заселенность носителями, происходит обеднения из торца слоя GaAs при энергии фотона возбуждающего ние заселенностей по сравнению с фермиевским расимпульса ex = 1.513 эВ, образец 2. На вставке — диагрампределением носителей. Иначе говоря, происходит ”выма направленности стимулированного излучения с энергией жигание дыры” в области усиления света в спектре фотона s = 1.379 eV. — угол, отсчитанный от нормали поглощения. Спектр ”дыры” определяется в области к плоскости эпитаксиального слоя.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. ”LO-фононная” корреляция между спектром пикосекундной суперлюминесценции и особенностями... усиления света выражением H( ) =FD( ) - ( ), (2) где FD( ) — спектр поглощения света при фермиевском распределении ЭДП, ( ) — экспериментальный спектр поглощения света.

Спектр FD( ), представленный на рис. 2, был рассчитан в два этапа. На первом этапе расчет спектра выполнялся при следующих условиях. Все дырки считались тяжелыми, а электроны — находящимися только в долине 6. Зависимости плотности одночастичных состояний i от энергии: i Ei1/2. Для квазиуровней Рис. 3. Спектр поглощения света в невозбужденном GaAs для Ферми электронов µe идырок µh выполнялось очевидное образцов 1 и 3.

соотношение n(Tc, µe) =p(Tc, µh), (3) Tc = 52 мэВ, µe = 0.145 эВ и µh = -Eg + 0.083 эВ, где n и p — концентрации соответственно электронов n = p = 4.7 · 1018 см-3 определялись подобранным и дырок; Tc — температура носителей заряда. Концен- расчетным спектром поглощения. Была небольшая потрацию электронов в зоне проводимости определяло грешность в определении этих характеристик, вызванная выражение тем, что вблизи границ запрещенной зоны i(Ei) имеет n = Nc · F1/2(e). (4) форму крутой ступени, т. е. несколько отличается от зависимости i Ei1/2 [16].

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.