Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 5 Локальная особенность изменения спектра пикосекундной суперлюминесценции при дополнительной генерации носителей в нефермиевскую электронно-дырочную плазму в GaAs й 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 10 июня 2002 г. Принята к печати 9 сентября 2002 г.) Плотная горячая электронно-дырочная плазма и пикосекундная суперлюминесценция возникали при накачке слоя GaAs пикосекундным (ex) импульсом света. Распределение электронов по зоне проводимости было модулировано с периодом, равным энергии LO-фонона. Исследовалось влияние на суперлюминесценцию дополнительной накачки GaAs (pi) импульсом света с p < ex - 0.1 эВ. При одновременной накачке ex- и pi-импульсами в спектре относительного увеличения энергии суперлюминесценции возникали локальные максимум или минимум при энергии фотона, при которой расположен максимум в спектре энергии суперлюминесценции в активной области слоя GaAs. Локальный максимум возникал, когда электроны, рожденные p1-импульсом на уровне с обедненной заселенностью, излучали по LO-фонону и рекомбинировали. Локальный минимум возникал, когда электрон рождался p2-импульсом на уровне с фермиевской заселенностью. Спектральная ширина локальных максимума и минимума оказалaсь уже, чем расчетная ширина энергетического уровня, с которого электроны рекомбинируют.

1. Введение физический механизм [7] был предложен для объяснения модуляции энергетического распределения электронов.

Цель настоящей работы Ч выяснить, как влияет Рост интенсивности суперлюминесценции B на интенсивную пикосекундную суперлюминесценцию, происходит вместе с возрастанием скорости возникающую при накачке GaAs мощным пикосекундсуперлюминесцентной рекомбинации носителей:

ным (ex) импульсом света, дополнительная генерация (dn/dt)R B d, здесь Ч частота суперлюминеносителей (pi) импульсом с p < ex. Электроны сцентного излучения и Ч коэффициент поглощения генерировались pi-импульсами недалеко от дна зоны в области усиления света; интеграл берется по проводимости, в той области, где энергетическое распреспектральной полосе усиления. Возрастание |(dn/dt)R| деление электронов было сильно модулировано, т. е. отпрепятствует увеличению || в области усиления.

клонялось от фермиевского. Опыты проводились при При высоких интенсивностях суперлюминесценции комнатной температуре.

это вызывает обеднение инверсной заселенности Опишем сначала ситуацию, возникавшую при накачке энергетических уровней на дне зоны проводимости, с GaAs ex-импульсом с энергией фотона ex = 1.558 эВ которых электроны стимулированно рекомбинируют, по и длительностью 14 пс. При межзонном поглощении сравнению с заселенностью при фермиевском распредемощного ex-импульса в тонком ( 1мкм) слое GaAs лении ЭДП. Такое обеднение отображается разностью возникают плотная горячая электронно-дырочная плазспектров коэффициента поглощения (в области усилема (ЭДП) и пикосекундная суперлюминесценция [1Ц4].

ния), экспериментального и рассчитанного для фермиевПод последней подразумевается стимулированное реского распределения ЭДП (рис. 1). Назовем эту разность комбинационное излучение в активной среде GaAs без провалом в области усиления. Спектр провала подобен резонатора с характерным временем релаксации 10 пс.

по форме части спектра энергии суперлюминесценции, Релаксация суперлюминесценции взаимосвязана с рерасположенной выше уровня Wst, где Wst Ч энергия лаксацией температуры и концентрации ЭДП [5,6].

суперлюминесценции при тех двух значениях, при Интенсивность суперлюминесценции, интегральная по которых находятся границы провала [8] (рис. 1).

спектру, по оценкам >108 Вт/см2.

Обеднение заселенностей приводило к невыполнению В этих условиях энергетическое распределение элекпринципа детального равновесия. В результате вознитронов в зоне проводимости модулируется осцилляциякали интенсивные переходы электронов, сопровождами с периодом LO, где LO Ч энергия продольного емые излучением LO-фононов, на уровни с обедненоптического (LO) фонона [7]. Возникают периодически ной инверсной заселенностью. Переходы с излучением расположенные области обеднения заселенностей энерLO-фононов оказывались настолько интенсивными, что гетических уровней по сравнению с заселенностью при приводили к образованию второго обеднения заселенфермиевском распределении электронов. Следующий ностей в зоне проводимости. Второе обеднение распо E-mail: bil@mail.cplire.ru лагалось выше первого на энергию LO-фонона LO Локальная особенность изменения спектра пикосекундной суперлюминесценции... продолжает вызывать интерес. Для сравнения, в плотной -квазиравновесной ЭДП по расчетам [7Ц9] e-LO c-c для электронов из той области энергий, для которой наблюдались эффекты. Здесь e-LO Ч частота излучения электроном LO-фононов.

Отметим, что максимальная глубина провала в обm ласти усиления при энергии фотона s в 2 раза больm ше коэффициента усиления, измеренного при s, m где s Ч энергия фотона, при которой располагается максимум спектра суперлюминесценции в активной области GaAs (рис. 1). Из такого соотношения следует, что обратная частота -1 вынужденных рекомбинационных m переходов с излучением фотона с энергией s тоже сравнима со временем внутризонной релаксации c-c.

В настоящей работе в спектре существенного отноРис. 1. 1 Ч спектр суперлюминесцентного излучения, вы- сительного увеличения энергии пикосекундной супертекающего из GaAs по нормали к поверхности активной люминесценции, вызванного дополнительной генерациобласти эпитаксиального слоя; 2 Ч экспериментальный спектр ей электронов pi-импульсом, обнаружилось образовапоглощения света в фотовозбужденном GaAs; 3 Ч расчетние локальных минимума и максимума с аномально ный спектр поглощения света при фермиевском распредеузкой шириной. Это наблюдалось при одновременной лении ЭДП в GaAs. Рисунок взят из работы [8]. Стрелки накачке GaAs пикосекундными ex- и pi-импульсами.

указывают на энергии фотонов p1 и p2 импульсов p1 и p2, Подробно это описывается и обсуждается далее.

использовавшихся в настоящей работе, а также на энергию m фотона s.

2. Эксперимент Настоящая работа проводилась при облучении точно и вызывало образование выступа в экспериментальном таким же ex-импульсом точно такого же по толщине спектре поглощения (рис. 1) при >1.417 эВ. Дальэпитаксиальных слоев и их химическому составу обнейшее распространение этого процесса вверх по зоне разца, что и в работе [8]. Поэтому результаты [8], проводимости приводило к периодической модуляции представленные на рис. 1, полностью применимы к энергетического распределения электронов в зоне.

настоящей работе.

Описанный механизм модуляции [7] был испольОбразец представлял собой гетероструктуру зован при объяснении обнаруженных нами эффекAl0.22Ga0.78As-GaAs-Al0.4Ga0.6As с толщиной слоев тов: 1) модуляции спектра просветления (увеличения соответственно 1.2-1.6-1.2 мкм. Гетероструктура была прозрачности) слоя GaAs ДфононнымиУ осцилляциями выращена молекулярно-лучевой эпитаксией на (100) периода подложке GaAs. Затем гетероструктура была отделена = LO(1 + me/mh), от подложки (этого не делали в [8]). Концентрации где me и mh Ч эффективные массы соответственно донорных и акцепторных примесей в гетероструктуре не -электрона и тяжелой дырки [7]; 2) эффектов энергети- превышали 1015 см. Слои Alx Ga1-xAs предназначены ческого транспорта электронов, происходившего путем для стабилизации поверхностной рекомбинации и излучения LO-фононов, при пикосекундной суперлюми- механической прочности и прозрачны для света, несценции в GaAs [9]; 3) ДLO-фононнойУ корреляции используемого в эксперименте. На внешние поверхности между спектром пикосекундной суперлюминесценции и слоев Alx Ga1-xAs было нанесено антиотражающее особенностями спектра поглощения света в GaAs при покрытие. В результате отражение света по нормали к нефермиевском распределении носителей заряда [8]. поверхности слоев не превышало 2%.

Обнаруженные эффекты [7Ц9] приводили к предполо- Гетероструктура облучалась одним (ex) или двумя (ex жению, что в вышеназванных условиях экспериментов и pi) импульсами с приблизительно гауссовым распрестановились сравнимы времена e-LO и c-c, где e-LO Ч делением интенсивности в пространстве, сфокусированвремя такой релаксации электронов ко дну зоны про- ными в одну точку. Длительность pi-импульса, как и водимости, когда электроны, излучая LO-фононы, со- ex-импульса, составляла 14 пс. Диаметр фокусного пятна вершали переходы на уровни с обедненной заселен- ex-импульса Ч 0.5 мм, pi-импульса Ч 0.46 мм. При ностью [9]; c-c Ч время внутризонной энергетической накачке GaAs только pi-импульсом концентрация ЭДП релаксации электронов к фермиевскому распределению, была только близка к ДпороговойУ, при которой суперпроисходящей за счет столкновений между носителями. люминесценция начинает появляться.

То, что времена e-LO и c-c становятся сравнимы, до Фотовозбуждаемая активная область слоя GaAs, где сих пор не получило теоретического объяснения и возникала суперлюминесценция при накачке ex-импуль3 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 548 Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.Е. Кумеков, С.В. Стеганцов сом и дополнительно усиливалась при накачке p1или p2-импульсом, находилась на расстоянии примерно 1.4 мм от торца гетероструктуры. Это освобождало во время возбуждающего импульса: а) от влияния на суперлюминесценцию положительной обратной связи, создаваемой отражением от торца гетероструктуры (отраженное от торца суперлюминесцентное излучение проходило через фотовозбуждавшуюся область уже после окончания возбуждающего импульса); б) от влияния дефектов решетки вблизи торца гетероструктуры. Суперлюминесценция распространялась преимущественно вдоль слоя GaAs. После выхода ее из торца гетероструктуры спектр интегральной по времени энергии Ws пикосекундной суперлюминесценции измерялся внутри апертуры 4.

Рис. 2. Спектр относительного увеличения энергии суперлюИзмеренный спектр из-за поглощения в невозбужденминесценции, возникавшего от того, что к накачке образца ной области слоя GaAs отличался от спектра супер- ex-импульсом добавляли синхронную накачку p1-импульсом.

ex = 1.558 эВ, p1 = 1.43 эВ. Стрелка указывает на энерлюминесценции в фотовозбужденной активной области m гию фотона s = s p1 -.

слоя GaAs. Спектр суперлюминесценции в активной области иллюстрируется рис. 1, взятым из работы [8].

В [8] спектр определялся по излучению, вытекавшему по нормали к поверхности аналогичного образца из-за несовершенства его волноводных свойств. Как уже говорилось, параметры ex-импульса в настоящей работе и импульса накачки в [8] одинаковы, как одинаковы по толщине слоев и химическому составу образцы.

Поэтому можно считать, что рис. 1 также иллюстрирует и спектр суперлюминесценции в активной области слоя в настоящей работе при накачке GaAs ex-импульсом.

Измеренный в настоящей работе выступ в спектре поглощения света при >1.417 эВ, отображающий обеднение заселенностей носителей, естественно тоже совпадал с выступом, измеренным в [8] и проиллюстрированным кривой 2 на рис. 1.

Несмотря на частичное поглощение спектра суРис. 3. Спектр относительного увеличения энергии суперперлюминесцентного излучения в пассивной области люминесценции, возникавшего от того, что к накачке образслоя GaAs, в настоящей работе были обнаружены ца ex-импульсом добавляли накачку p1-импульсом, не переспектральные особенности, приводившие к существенкрывавшимся во времени с ex-импульсом. ex = 1.558 эВ, ным выводам. Чтобы, по возможности, исключить влия p1 = 1.43 эВ; 1 Ч d = -20 пс, 2 Ч d = 20 пс, где d Ч ние поглощения спектра суперлюминесцентного излучевремя задержки p1-импульса относительно ex-импульса.

ния в пассивной области слоя GaAs, измерялся спектр относительного увеличения энергии суперлюминесценции Ws(ex + pi)/Ws (ex) = f ( ), возникавшего от того, максимальное обеднение заселенности в первой облачто к накачке образца ex-импульсом добавляли накачку сти обеднения, и с которого электроны рекомбиниp1-импульсом. Здесь Ws(ex + pi) и Ws(ex) Ч энергии m ровали с излучением фотона с энергией s. Измесуперлюминесценции соответственно при совместной нение суперлюминесценции исследовалось подробно в накачке ex- и pi-импульсами и при накачке только m спектральной области вблизи энергии фотона s. При ex-импульсом.

одновременном облучении гетероструктуры импульсаЭнергии фотона pi-импульса в настоящих опытах ми ex и p1 энергия пикосекундной суперлюминесценции сообщали два значения, показанных стрелками на рис. 1.

m Первое значение p = s + = 1.43 эВ совпада- существенно возрастала по сравнению с суперлюмило со спектральным положением максимума выступа несценцией при накачке GaAs только ex-импульсом.

в спектре поглощения. При поглощении p1-импульса При этом в спектре относительного увеличения энерэлектроны ДрождалисьУ на энергетическом уровне зоны гии суперлюминесценции Ws (ex + p1)/Ws(ex) = f ( ) m проводимости, имевшем максимальное обеднение засе- возникал локальный максимум при = s (рис. 2).

енности во второй области обеднения. Энергия этого Спектральная ширина локального максимума по его уровня превышала на LO энергию уровня, имевшего основанию составляла 1.9 мэВ.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Локальная особенность изменения спектра пикосекундной суперлюминесценции... на основания локального максимума на экспериментальном спектре Ws(ex + p1)/Ws(ex) = f ( ) равнялась 1.9 мэВ. Появление локального максимума на спектре Ws (ex + p1)/Ws (ex) = f ( ) указывает на следующее. Подтверждая, что времена e-LO и c-c сравнимы, часть электронов, после генерации их p1-импульсом, излучают по LO-фонону, переходя на уровни с максимальным обеднением в первой области обеднения заселенностей на дне зоны проводимости. На этих уровнях электроны, не претерпев энергетической релаксации от взаимодействия с другими электронами зоны проводимости, вынужденно рекомбинируют, усиливая m суперлюминесценцию при s s. Из этого следует, что эффективное время жизни электрона на таком Рис. 4. Спектр относительного увеличения энергии суперлю- уровне SR = -1 и время c-c сравнимы. Здесь Ч минесценции, возникавшего от того, что к накачке образца частота тех вынужденных рекомбинационных переходов ex-импульсом добавляли синхронную накачку p2-импульсом.

с энергетического уровня при d 0, во время котоm ex = 1.558 эВ, p2 = 1.455 эВ. Стрелка указывает на энеррых излучаются фотоны с энергией s. Напомним, m гию фотона s = s.

что такое же предположение было сформулировано во введении на основании глубины провала в области усиления.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам