WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Электролюминесценция квантово-каскадных структур AlGaAs/GaAs в терагерцовом диапазоне © Н.Н. Зиновьев+, А.В. Андрианов+, В.Ю. Некрасов+, Л.В. Беляков+, О.М. Сресели+¶, Г. Хилл, Дж.М. Чемберлен + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Sheffield, Sheffield, S10 2TN, United Kingdom IMP, School of Electronic and Electrical Engineering, University of Leeds, Leeds LS2 9JT, United Kingdom (Получена 21 августа 2001 г. Принята к печати 29 августа 2001 г.) Исследовалась электролюминесценция квантово-каскадной структуры, состоящей из 40 периодов туннельно-связанных квантовых ям GaAs/Al0.15Ga0.85As. При напряжении смещения свыше 1.5–2.0 В наблюдалась полоса терагерцового излучения в области 1.0–1.8 ТГц. Положение максимума полосы линейно сдвигается в высокочастотную область с ростом напряжения на структуре. Эффект объяснен пространственно непрямыми переходами электронов между состояниями в соседних квантовых ямах.

Введение задачи путем соответствующего подбора толщин слоев и барьеров в квантово-каскадной структуре (ККС).

Последние годы отмечены возросшим интересом Практическая реализация идей [1] стала возможной отк изучению электромагнитных волн терагерцового (или носительно недавно (в первой половине 90-х годов) дальнего инфракрасного) диапазона. Терагерцовое излу- и была осуществлена в области длин волн среднего чение находит применение в томографических систе- инфракрасного (ИК) диапазона [3,4].

мах, интроскопии, микроскопии, сканирующих системах Подход, отработанный при создании квантово-каскадизображения в медицине, биологии, средствах связи ных лазеров и квантово-каскадных структур, излучаюи контроля. Набор источников излучения в основном щих в среднем ИК диапазоне, возможно, позволит сосводился к системам, основанным на излучении чер- здать приборы и для дальнего ИК даипазона. Получение ного тела. Другие доступные источники терагерцового излучения в дальней ИК области при излучательной диапазона, такие как лазеры на свободных электронах, релаксации квантово-размерных электронов в квантовых газовые лазеры с оптической накачкой от CO2-лазера ямах осложняется конкурирующими процессами эмиси полупроводниковые лазеры на p-Ge, страдают суще- сии фононов и электрон-электронного рассеяния [5].

ственными недостатками, связанными с их большими Однако в ряде работ наблюдалась дальняя ИК электрогабаритами, отсутствием плавной перестройки или не- люминесценция в параболических квантовых ямах [6,7].

обходимостью использования сверхнизких температур и Недавно и в ККС [8,9] наблюдалось THz-излучение сильных магнитных полей. Отсутствие компактных и ши- в спонтанном режиме, возбуждаемое иинжекционным рокополосных источников терагерцового диапазона при- током, в области температур 4–120 K. Эффективность вело к своеобразному феномену ”терагерцовой щели” излучения, достигнутая в настоящее время, остается (области частот электромагнитных волн 0.1-30 THz), низкой, позволяющей получить 10-12 при плотностях доступ к которой весьма затруднен.

тока через структуру 10 А/см2 [8]. Вследствие этого В последнее время, однако, возникла достаточно вы- необходимо более подробное исследование подобных сокая вероятность создания источников терагерцового структур с вариацией параметров структуры для создадиапазона, основанных на использовании полупровод- ния ККС с оптимальными условиями туннелирования.

никовых многопериодных квантово-размерных систем В данной работе исследовалась электролюминесценс электрической монополярной инжекцией носителей ция (ЭЛ) в квантово-каскадной структуре GaAs/AlGaAs заряда и межподзонными излучательными переходами.

на основе туннельно-связанных квантовых ям.

Оригинальная идея такого рода источников была выдвинута Казариновым и Сурисом в их пионерской работе [1] Эксперимент вскоре после открытия сверхрешеток Есаки и Тсу [2].

Концепция [1] представила новый принцип монополярноСтруктуры были выращены методом молекулярного полупроводникового излучателя, впоследствии полупучковой эпитаксии на полуизолирующей подложке чившего название квантово-каскадного лазера. Система (100) GaAs в центре MBE EPSRC Университета Шефэнергетических уровней и электронная кинетика в таком филда (Великобритания). Структура состоит из 40 периизлучателе может быть выстроена в зависимости от одов, каждый из которых содержит четыре GaAs-кванто¶ E-mail: Olga. Sreseli@pop.ioffe.rssi.ru вые ямы (КЯ), разделенные Al0.15Ga0.85As туннельными Электролюминесценция квантово-каскадных структур AlGaAs/GaAs в терагерцовом диапазоне Электролюминесценция регистрировалась с помощью Фурье-спектрометра, построенного на базе прибора Grubbs–Parsons (рис. 2). Излучение из образца собиралось внеосевым 90-градусным параболоидом с относительным отверстием 1 : 2. На выходе спектрометра излучение фокусировалось на детектор также при помощи внеосевого 90-градусного параболоида с относительным отверстием 1 : 6. Внутренний объем спектрометра и узлов параболоидов откачивался с целью предотвращения влияния на результаты измерений поглощения на парах воды. Детектором дальнего ИК излучения служил охлаждаемый жидким гелием кремниевй болометр (QMS Si-detector), на входе которого был установлен полосовой оптический фильтр, обеспечивающий работу детектора в спектральной области 2–400 см-1.

Сигнал детектора измерялся на частоте 80 Гц с помощью резонансного усилителя с синхронным детектором.

Перемещение подвижного зеркала Фурье-спектрометра осуществлялось с помощью прецизионного шагового Рис. 1. Первый (нижний) из 40 каскадов излучающей струкдвигателя. Управление шаговым двигателем, измерение туры (схематическое изображение). 1 —подложка; 2 —слой сигнала синхронного детектора, управление амплитудой низкоомного GaAs (толщина 2 мкм); 3 — спейсер GaAs;

импульсов электрического смещения на структурах, а 4, 6 — барьеры Al0.15Ga0.85As; 5, 7, 9 — квантовые ямы GaAs;

также быстрое Фурье-преобразование интерферограмм 8 — квантовая яма GaAs : Si. Ширина квантовых ям () осуществлялось с помощью комьютера.

указана на рисунке, ширина барьеров, : 4 — 40, 6 — 25.

Чувствительность используемой аппаратуры к измерениям в дальней ИК области была проверена при записи спектров электролюминесценции тестовых образцов, барьерами. Параметры ям и барьеров даны на рис. 1.

представляющих собой параболические квантовые ямы, С обеих сторон структура заканчивается слоем n+-GaAs детально исследованные, например, в [6]. На рис. 3 при(n 2 · 1018 см-3) и буферным слоем («spacer») не- веден спектр электролюминесценции параболической легированного GaAs, которые обеспечивают двумерный ямы шириной 140 нм. Можно видеть узкую одиночную (2D) инжекционный контакт (рис. 1). Квантовые ямы линию с максимумом при 78.9 см-1 (2.368 ТГц), что 280 и 180, разделенные 25 туннельным барьером, образуют активную область структуры. Соседние квантовые ямы и барьеры выполняли соответственно роль эжектора неравновесных электронов, инжектируемых из контакта, и их инжектора в следующий активный период структуры. Для уменьшения влияния эффекта пространственного заряда при инжекции неравновесных электронов КЯ 150 были легированы кремнием до уровня 8 · 1015 см-3.

На образцах были сформированы меза-структуры диаметром 400 мкм. Для вывода излучения по нормали к поверхности структур (перпендикулярно плоскости КЯ) на верхний контактный слой наносилась металлическая (Cr/Au) решетка связи с периодом 20 мкм, которая одновременно служила верхним электрическим контактом.

Исследуемые образцы были укреплены на медном хладопроводе гелиевого оптического криостата, ”теплое” окно которого было выполнено из полиэтилена.

На образцы подавалось смещение в виде прямоугольных импульсов частотой 500 кГц (скважность 2), модулированных прямоугольными импульсами низкой частоты Рис. 2. Специализированный Фурье-спектрометр. 1 —вход (80 Гц, скважность 2, коэффициент модуляции 1). Такое электрических импульсов, 2 — гелиевый криостат с излучаюсмещение использовалось с целью минимизации нагрева щей структурой, 3 — интерферометр Майкельсона, 4 —параобразцов в процессе измерений. болические зеркала, 5 — болометр.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 236 Н.Н. Зиновьев, А.В. Андрианов, В.Ю. Некрасов, Л.В. Беляков, О.М. Сресели...

максимумом при 113.6 см-1. Эту линию авторы [8] приписывают переходам между второй и первой подзонами размерного квантования в квантовой яме шириной 280.

В наших структурах с целью повышения эффективности инжекции толщина туннельных барьеров между периодами была уменьшена до 40 (против 60 в работе [8]). Уменьшение толщины инжекционного барьера должно было также позволить наблюдать не только Рис. 3. Спектр излучения тестовой структуры с параболической квантовой ямой в структуре GaAs/AlGaAs.

близко к данным, опубликованным в [6]. Полуширина линии составляет величину порядка 5.6 см-1 и фактически соответствует разрешению спектрального прибора Рис. 4. Зависимость интенсивности терагерцового излучения в данном эксперименте.

от приложенного к структуре напряжения V, окно прозрачности входного фильтра 2–400 см-1, T = 7-13 K.

Результаты и обсуждение При подаче прямого смещения на исследуемую ККС (плюс на верхнем контакте структуры, минус к подложке) и при нулевой разности хода в плечах интерферометра детектор регистрировал интегральное терагерцовое излучение, спектральная область которого ограничивалась фильтром на входе болометра (2–400 см-1). Сигнал детектора уменьшался до нуля при блокировании выходного окна криостата с помощью металлической пластины или соответствующих фильтров. На рис. показана зависимость интегрального сигнала от приложенного напряжения смещения на структуре. При малых напряжениях смещения (< 1В) сигнал тонет в шумах.

При повышении напряжения до 4–9 В соотношение сигнал/шум существенно улучшается и достигает 10 и более (рис. 4).

Спектры терагерцового излучения при прямом и обратном смещениях, равных 5.5 В, представлены на рис. 5. Видно, что основной вклад в спектр электролюминесценции вносит полоса с максимумом при 48.8 см-(6.05 мэВ, или 1.46 ТГц) и полушириной порядка 30 см-1.

Такой характер спектра значительно отличается от данРис. 5. Спектры терагерцового излучения квантово-каскадной ных работы [8], в которой исследовалась близкая по пара- структуры, V = 5.5В; T = 7K. 1 — прямое смещение (плюс метрам ККС, но была получена узкая линия излучения с на структуре), 2 — обратное смещение.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Электролюминесценция квантово-каскадных структур AlGaAs/GaAs в терагерцовом диапазоне максимум спектра излучения которой приходится на 48.8 см-1 (1.46 ТГц) и сдвигается в высокочастотную область с ростом напряжения смещения по закону, близкому к линейному. Наблюдаемые эффекты объясняются пространственно непрямыми переходами электронов между основным состоянием в широкой яме и основными состояниями в соседних ямах.

Работа выполнена при частичной поддержке фонда INTAS (N 97-0856), РФФИ ”Научная школа” (00-1596750) и программы ”Квантово-размерные наноструктуры”. Н.Н. Зиновьев благодарен EPSRC за поддержку визита в UK.

Список литературы [1] Р.Ф. Казаринов, Р.А. Сурис. ФТП, 5, 797 (1971); ФТП, 6, 148 (1972).

[2] L. Esaki, R. Tsu. IBMJ. Res. Dev., 14, 61 (1970).

Рис. 6. Зависимость положения максимума терагерцового [3] J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco, C. Sirtori, A.L. Hutchinson, излучения max от приложенного напряжения V.

A.Y. Cho. Science, 264, 553 (1994).

[4] F. Capasso, J. Faist, S. Sirtori, A.Y. Cho. Sol. St. Commun., 102, 231 (1997).

[5] P. Hyldgaard, J.W. Wilkins. Phys. Rev. B, 53, 6889 (1996).

прямые, но и непрямые (в реальном пространстве) [6] K.D. Maranovski, A.C. Gossard, K. Unterrainer, E. Gornik.

оптические переходы между нижними состояниями в Appl. Phys. Lett., 69, 3522 (1996).

соседних ямах.

[7] J. Ulrich, R. Zobl, K. Unterrainer, G. Strasser, E. Gornik, С целью дискриминации типов переходов была изуK.D. Maranovski, A.C. Gossard. Appl. Phys. Lett., 74, чена зависимость положения максимума излучения от (1999).

приложенного напряжения смещения (рис. 6). Эта [8] M. Rochat, J. Faist, M. Beck, U. Oesterle, M. Ilegems. Appl.

зависимость может быть аппроксимирована линейной Phys. Lett., 73, 3724 (1998).

функцией со скоростью нарастания частоты максимума [9] M. Rochat, J. Faist, M. Beck, U. Oesterle. Physica E, 7, излучения 8.9см-1/В. Линейная зависимость положе(2000).

ния максимума излучения от приложенного смещения Редактор Л.В. Беляков свидетельствует в пользу того, что наблюдаемая полоса обусловлена излучением при непрямых (в реальном Electroluminescence of AlGaAs/GaAs пространстве) переходах электронов в ККС. Такими quantum-cascade structures переходами могли бы быть переходы электронов между основным состоянием в яме 280 и основными состоя- in the therahertz range ниями в соседних ямах. Учитывая, что на контактах паN.N. Zinov’ev+, A.V. Andrianov+, V.Yu. Nekrasov+, дает 0.5–1 В напряжения, для выравнивания наинизших L.V. Belyakov+, O.M. Sreseli+, G. Hill, уровней в соседних квантовых ямах активной области J.M. Chamberlain ККС необходимо приложить к 40-каскадной структуре + Ioffe Physicotechnical Institute, внешнее напряжение порядка 1.5–2 В. Отметим, что Russian Academy of Sciences, ”разгорание” ЭЛ начинается при величинах смещения, 194021 St.Petersburg, Russia близких к этому значению (рис. 4).

Оценки интегральной мощности терагерцового излу- Department of Electronic and Electrical Engineering, чения с учетом эффективности сбора излучения дают University of Sheffield, для ККС, исследованных в настоящей работе, величи- Sheffield, S10 2TN, United Kingdom ну порядка 2 нВт при напряжении на структуре 5.5 В IMP, School of Electronic and Electrical Engineering, и подводимой электрической мощности 700 мВт, что University of Leeds, соответствует квантовой эффективности излучения поLeeds LS2 9JT, United Kingdom рядка 3 · 10-9. Увеличение мощности излучения по сравнению с данными работы [8] может быть следствием

Abstract

Electroluminescence in quantum-cascade structure использования двумерных инжекционных контактов к consisting of 40 periods of GaAs/Al0.15Ga0.85As tunnelling bound ККС и более тонких инжекционных барьеров.

quantum well has been investigated. A radiative band in the Таким образом, в квантово-каскадных структурах, range 1.0–1.8 THz is found under 1.5–2.0 V bias. The maximum position moves to high frequencies as voltage increases. The effect содержащих туннельно-связанные квантовые ямы can be explained by spatially indirect electron transitions between GaAs/AlGaAs, при напряжении на структуре 5.5 В обneighbour quantum wells.

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.