Внутризонные инверсии населенности и поглощение излучения среднего инфракрасного диапазона в квантовых ямах на основе соединений AIIIBV тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

• стр. Введение

ГЛАВА I. Излучательные и безызлучательныс внутризонные ф переходы электронов в квантовых ямах (обзор литературы)

1.1. Энергетический спектр и волновые функции электронов в квантовых ямах на основе соединений АШВУ

1.2. Оптические переходы электронов в квантовых ямах

1.2.1. Внутриподзонные переходы

1.2.2. Межподзонные переходы

1.2.3. Эффекты, влияющие на спектр межподзонного поглощения

1.2.4. Фотоионизация квантовых ям

1.3. Безызлучательные внутризонные переходы неравновесных электронов в квантовых ямах

1.3.1. Расчет вероятностей внутризонных переходов электронов при основных безызлучательных механизмах рассеяния

1.3.2. Скорость релаксации энергии неравновесных электронов

1.3.3. Влияние неравновесных фононов на оптические явления в объемных полупроводниках и квантовых ямах

1.4. Некоторые методы получения инверсии населенности и модуляции излучения среднего инфракрасного диапазона в квантовых ямах

1.4.1. Инверсия населенности

Ф 1.4.2. Модуляция

ГЛАВА II. Влияние неравновесных фононов на внутризонные эмиссию и поглощение света горячими электронами в квантовых ямах

2.1. Влияние неравновесных оптических фононов на скорость рассеяния энергии горячих электронов в квантовых ямах

2.1.1. Вычисление скорости рассеяния энергии

2.1.2. Влияние неравновесных фононов на скорость рассеяния энергии

2.1.3. Влияние уровня легирования, ширины ямы и процессов экранирования на скорость рассеяния энергии

2.1.4. Сравнение с экспериментальными данными

2.2. Влияние неравновесных оптических фононов на внутризонную эмиссию света горячими электронами в квантовых ямах

2.3. Влияние неравновесных оптических фононов на модуляцию межподзонного поглощения света горячими электронами в квантовых ямах

2.3.1. Изменение пространственного заряда при приложении электрического поля

2.3.2. Решение в отсутствие электрического поля

2.3.3. Решение в продольном электрическом поле

2.3.4. Оценка возможности возрастания концентрации

2.4. Основные результаты главы П

ГЛАВА III. Внутризоннос поглощение света в туннельно-связаниых квантовых ямах в равновесных и неравновесных условиях

3.1. Межподзонное поглощение в равновесных условиях

3.1.1. Дизайн структуры с туннельно-связанными квантовыми ямами

3.1.2. Уточнение положения энергетических уровней

3.1.3. Влияние объемного заряда на энергетический спектр и коррекция параметров квантовых ям

3.1.4. Схема расчета спектральной зависимости поглощения

3.1.5. Влияние температуры на спектр поглощения

3.2. Расчет вероятностей электрон-фононного рассеяния

3.2.1. Рассеяние на полярных оптических фононах

3.2.2. Рассеяние на деформационных акустических фононах

3.3. Расчет вероятностей межподзонного рассеяния электронов на ионизованных атомах примеси

3.4. Модуляция межподзонного поглощения света в электрическом поле

3.4.1. Определение концентрации и температуры электронов

3.4.2. Анализ результатов

3.5. Основные результаты главы III

ГЛАВА IV. Механизмы рассеяния, влияющие на внутризонную w инверсию населенности в ступенчатых квантовых ямах

4.1. Механизм образования внутризонной инверсии населенности в ступенчатых квантовых ямах, расчет волновых функций и энергетического спектра электронов

4.1.1. Механизм образования внутризонной инверсии населенности

4.1.2. Волновые функции и энергетический спектр электронов в модели Кейна

4.2. Рассеяние электронов на полярных оптических фононах

4.3. Электрон-электронное рассеяние в ступенчатых квантовых ямах

4.4. Электрон-дырочное рассеяние в ступенчатых квантовых ямах

4.4.1. Процессы с внутриподзонными переходами дырок (3211 и 2111)

4.4.2. Резонансный процесс с межподзонным переходом дырки (3213)

4.5. Влияние концентрации неравновесных носителей заряда на времена электрон-электронного и электрон-дырочного рассеяния в ступенчатых квантовых ямах

4.6. Основные результаты главы IV

ГЛАВА V. Расчет инверсии населенности и оценка пороговых характеристик в предложенном дизайне лазера среднего инфракрасного диапазона со ступенчатыми квантовыми ямами

5.1. Выбор параметров ступенчатых квантовых ям ф 5.2. Оценка пороговых характеристик лазерной структуры со ступенчатыми квантовыми ямами

5.3. Зависимость внутризонной инверсии населенности от температуры и концентрации электронов и дырок в квантовой яме

5.4. Основные результаты главы V 141 Заключение Основные публикации автора ф Цитированная литература

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Интерес к оптическим исследованиям наноструктур в последние годы вызван возможностью наблюдения принципиально новых физических явлений и созданием новых оптоэлектронных приборов (квантовых генераторов, фотодетекторов, модуляторов). Ближний инфракрасный (ИК) диапазон длин волн (X. < 3 мкм) хорошо освоен. Генерация, модуляция и детектирование излучения среднего ИК диапазона (А, «3-20 мкм) также вызывают интерес, так как могут найти широкое применение в медицине, экологии, ИК спектроскопии, связи и т.п.

Длины волн X > 3 мкм соответствуют энергиям внутризонных переходов носителей заряда в наноструктурах. Несколько вариантов лазеров на внутризонных переходах электронов в квантовых ямах (КЯ) уже создано (см., например, [1,2]). Однако существующие проблемы, связанные с дорогостоящей технологией их изготовления или сложностью практического использования, ограничивают их применение. Поэтому поиск новых способов получения внутризонной инверсии населенности остается по-прежнему актуальной задачей. Один из таких способов исследуется в настоящей работе. При этом изучается влияние на внутризонную инверсию населенности электрон-фононного, электрон-электронного и электрон-дырочного рассеяния, которые могут разрушать инверсию [1,3,4].

В настоящей работе исследуется также внутризонное поглощение света в КЯ при приложении электрического поля вдоль квантово-размерных слоев. В таких условиях температура электронов может сильно отличаться от температуры решетки. Оптические явления, возникающие благодаря разогреву носителей заряда, интересны с физической точки зрения и могут быть использованы для создания новых приборов оптоэлектроники. Благодаря малой инерционности явлений разогрева, определяемой обычно временем релаксации энергии (К)'10 -10"12 с), возможно создание скоростных электрооптических модуляторов. Так, для излучения дальнего ИК диапазона с X« 70-210 мкм известен малоинерционный модулятор, основанный на межподзонных переходах горячих дырок в германии [5]. В настоящей работе рассмотрены два механизма модуляции излучения среднего ИК диапазона, основанные на межподзонных переходах горячих электронов в КЯ. Оптические явления, возникающие в КЯ в продольном электрическом поле, изучены слабо. Обычно внутризонные поглощение и эмиссия света исследуются при приложении поперечного электрического поля или при оптическом возбуждении [1, 2, б], при этом разогрев носителей заряда является побочным процессом.

Разогрев носителей заряда происходит в процессе работы многих оптоэлектронных приборов (квантовых каскадных лазеров, инжекционных лазеров и др.) в области больших токов и влияет на приборные характеристики. Поэтому при проектировании и оптимизации приборов определение температуры электронов является актуальной задачей, В настоящей работе электронная температура определена в прямоугольных и туннелыю-связанных КЯ при приложении продольного электрического поля. При этом учтена возможность накопления неравновесных оптических фононов в сильных полях и определено их влияние на внутризонные оптические явления. Отметим, что оптические явления с учетом неравновесных фононов исследовались ранее в объемных полупроводниках [7, 8], однако в КЯ изучалось влияние неравновесных фононов только на межзонную фотолюминесценцию и динамические свойства электронов при оптическом возбуждении [7].

Цель работы - исследование влияния разогрева электронов сильным электрическим полем на внутризонные оптические явления в КЯ, анализ возможности получения внутризонной инверсии населенности и изучение ее характеристик, анализ модуляции излучения среднего ИК диапазона в квантовых ямах специальной конструкции. Основные задачи работы можно разделить на три группы:

1. Определение температуры электронов в КЯ в сильных электрических полях с учетом неравновесных оптических фононов. Оценка величины изменения интенсивности внутриподзонной эмиссии и коэффициента межподзонного поглощения света в КЯ вследствие влияния неравновесных оптических фононов.

2. Анализ и объяснение экспериментальных данных по модуляции межподзонного поглощения света в селективно легированных резонансных и туннельно-связанных квантовых'ямах в электрическом поле:

- расчет энергетического спектра и волновых функций электронов путем самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона;

- вычисление вероятностей рассеяния горячих электронов при внутризонных переходах с учетом специфики рассматриваемых КЯ;

- анализ физических механизмов модуляции, расчет коэффициента поглощения света и его сравнение с экспериментальными данными.

3. Оценка возможности получения внутризонной инверсии населенности в асимметричных ступенчатых квантовых ямах:

- расчет энергетического спектра и волновых функций электронов в модели Кейна;

- вычисление времен жизни электронов на уровнях КЯ и скоростей захвата электронов из континуума на уровни при рассеянии на полярных оптических фононах;

- определение величины внутризонной инверсии населенности;

- расчет изменения величины внутризонной инверсии населенности вследствие межподзонного электрон-электронного (е-е) и электрон-дырочного (e-h) рассеяния;

- оптимизация параметров КЯ для получения наибольшего коэффициента усиления для излучения среднего ИК диапазона.

Научная новизна работы. Для полупроводниковых КЯ специальной формы предложены физические механизмы и расчеты, описывающие внутризонные оптические эффекты и рассеяние электронов, а именно:

- модуляцию внутризонного поглощения в сильном продольном электрическом поле в селективно легированных резонансных КЯ;

- влияние неравновесных оптических фононов на внутриподзонную эмиссию и межподзонное поглощение света в КЯ в сильных электрических полях;

- температурную зависимость спектра межподзонного поглощения в селективно легированных двойных туннелыю-связанных КЯ, связанную с перераспределением электронов между подзонами, изменением объемного заряда и, как следствие, изменением волновых функций, оптических матричных элементов и энергий переходов;

- скорость рассеяния энергии горячих электронов в многослойных КЯ с учетом вида огибающих волновых функций электронов в подзонах;

- модуляцию внутризонного поглощения в селективно легированных двойных туннелыю-связанных КЯ в электрическом поле с учетом продольной и поперечной компонент поля, вызывающих перераспределение электронов между двумя нижними подзонами, разогрев электронов, изменение их энергетического спектра, волновых функций и оптических матричных элементов переходов;

- внутризонную инверсию населенности в ступенчатых КЯ в условиях токовой инжекции и межзонного стимулированного излучения;

- скорости межподзонного е-е и e-h рассеяния, влияющие на внутризонную инверсию населенности электронов в асимметричных ступенчатых КЯ.

Рассчитаны глубина модуляции внутризонного поглощения света и величина внутризонной инверсии населенности в исследуемых структурах.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. В результате проведенных расчетов и анализа экспериментальных данных сделан вывод о возможности получения внутризонной инверсии населенности, достаточной для генерации излучения среднего ИК диапазона в асимметричных ступенчатых КЯ, а также эффективной модуляции излучения среднего ИК диапазона в туннелыю-связанных КЯ.

2. Найдена оптимальная энергия кванта излучения среднего ИК диапазона, для которой может быть получена наибольшая глубина модуляции в туннелыю-связанных КЯ.

3. Выбраны параметры асимметричной ступенчатой КЯ для получения наибольшего коэффициента усиления излучения среднего ИК диапазона.

4. Показано, что е-е и e-h рассеяние в асимметричных ступенчатых КЯ не разрушает внутризонную инверсию населенности для излучения среднего ИК диапазона. Наибольшая величина внутризонной инверсии населенности может быть достигнута в лазерных структурах с малой пороговой для межзонного стимулированного излучения концентрацией носителей заряда в КЯ (менее 5-10й см"2). В этом случае уменьшение внутризонной инверсии вследствие е-е и e-h рассеяния не должно превышать 10%.

5. В последующих исследованиях в области полупроводниковых КЯ могут быть использованы предложенные в настоящей работе схемы расчетов времен внутризонного рассеяния электронов на полярных оптических фононах, в том числе с учетом неравновесных фононов, на акустических фононах, ионизованных атомах примеси, е-е и e-h рассеяния в КЯ сложной формы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Неравновесные полярные оптические фононы существенно влияют на величину оптических эффектов, связанных с внутризонными переходами электронов при их разогреве продольным электрическим полем в квантовых ямах.

2. Учет возможности «антипересечения» уровней в электрическом поле в туннельно-связанных квантовых ямах с малым энергетическим расстоянием между двумя нижними подзонами позволяет удовлетворительно интерпретировать экспериментальные данные по модуляции межподзонного поглощения света, которая может быть объяснена перераспределением электронов между нижними подзонами и изменением их энергетического спектра и волновых функций.

3. В асимметричных ступенчатых квантовых ямах в условиях токовой инжекции и межзонного стимулированного излучения возможно появление внутризонной инверсии населенности, достаточной для генерации излучения среднего ИК диапазона.

4. Межподзонное электрон-электронное и электрон-дырочное рассеяние в асимметричных ступенчатых квантовых ямах типа InGaAs/AlGaAs не разрушает внутризонную инверсию населенности для среднего ИК излучения. В лазерных структурах с пороговой для межзонного стимулированного излучения концентрацией носителей заряда менее 5-10й см"2 уменьшение внутризонной инверсии населенности вследствие электрон-электронного и электрон-дырочного взаимодействия составляет примерно 10%.

Достоверность и надежность результатов основана на их соответствии результатам экспериментов и согласии с результатами других работ, посвященных сходной тематике.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях:

Городская студенческая научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1998); 6, 7 International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St. Petersburg, 1998, 1999); llth International Conference on Superlattices, Microstructures and Microdevices (Hurgada, 1998); 10th, llth Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors (Vilnius, 1998, 2001); 24th International Conference on the Physics of Semiconductors (Jerusalem, 1998); The 25th International Conference on the Physics of Semiconductors (Osaka, 2000); Российско-Украинский Семинар "Нанофизика и Наноэлектроника" (Киев, 2000); European Conference on Laser and Electro-Optics (Nice, 2000); 4 и 5 Российская конференция по физике полупроводников (Новосибирск, 1999; Н.Новгород, 2001); 7 Всероссийская молодежная научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2005).

Публикации. По теме диссертации имеется 33 публикации, из них 11 статей в отечественных и международных журналах. Основное содержание отражено в восьми работах, перечень которых приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 112 наименований; содержит 153 страницы машинописного текста, включая 45 рисунков.

Заключение

В настоящей диссертационной работе исследованы внутризонные оптические явления в квантовых ямах специальной конструкции на основе соединений AniBv. Сделан вывод о возможности получения внутризонной инверсии населенности, достаточной для генерации излучения среднего ИК диапазона в асимметричных ступенчатых КЯ, а также эффективной модуляции излучения среднего ИК диапазона в туннельно-связанных КЯ. Предложены физические механизмы, объясняющие экспериментальные данные по модуляции внутризонного поглощения света. Исследовано влияние разогрева электронов сильным электрическим полем на внутризонные оптические явления в КЯ. Предложены схемы расчетов скоростей процессов внутризонного рассеяния электронов, необходимые для исследования и объяснения изучаемых внутризонных оптических явлений. Изученные явления могут быть использованы при разработке электрооптических приборов нового типа.