Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 5 Вертикальный транспорт горячих электронов в сверхрешетках GaAs/AlAs й Д.Н. Мирлин, В.Ф. Сапега, В.М. Устинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 ноября 2003 г. Принята к печати 12 ноября 2003 г.) Методами поляризованной горячей фотолюминесценции исследованы оcобенности баллистического транспорта горячих фотовозбужденных электронов из сверхрешетки в уширенную квантовую яму. Установлено, что подавляющая часть фотовозбужденных электронов успевает термализоваться до захвата в уширенную квантовую яму. Однако малая часть фотовозбужденных электронов достигает уширенной квантовой ямы баллистически, сохраняя анизотропию распределения по импульсам или спиновую ориентацию, возникшую в результате поглощения линейно или циркулярно поляризованного света в сверхрешетке.

1. Введение исследовался спектр горячих электронов, возбужденных высоко в зону проводимости фотонами с энергией, Уменьшение ширины барьеров между соседними кванзаметно превышающей ширину запрещенной зоны СР.

товыми ямами (КЯ) в полупроводниковой сверхрешетке Ранее нами было показано [5Ц7], что в СР функция (СР) приводит к увеличению перекрытия между элекраспределения горячих фотовозбужденных электронов тронными состояниями соседних КЯ. Такое взаимодейпо квазиимпульсам сильно анизотропна, а степень ее ствие между соседними КЯ приводит к существенной анизотропии сильно зависит от энергии возбуждающих модификации энергетического спектра СР, что проявляфотонов. Можно ожидать, что эта анизотропия проется в возникновении минизон, разделенных запрещенявится в зависимости числа инжектированных в КЯ ными зонами в спектре носителей заряда. Возникновеэлектронов от энергии возбуждающих фотонов.

ние минизон в спектре носителей заряда, в свою очередь, В данной работе исследована интенсивность и посущественно сказывается на транспортных свойствах ляризация фотолюминесценции электронов, инжектиСР. В частности, в СР с минизонами возможно двированных в уширенную КЯ из СР. Установлено, что жение носителей заряда вдоль направления роста СР распределение по импульсам электронов, инжектиро(так называемый вертикальный транспорт). Исследоваванных из СР, заметно отличается от распределения, ние вертикального транспорта в СР привлекает внипервоначально созданного в СР в результате оптическомание, поскольку для таких структур было предсказаго возбуждения. Показано, что в основном электроны но возникновение отрицательного дифференциального успевают термализоваться в СР прежде, чем они досопротивления [1] и блоховских осцилляций [2]; кростигают уширенной КЯ. Однако малая доля электроме того, подобные структуры позволяют исследовать нов инжектируется в КЯ в результате баллистическоэффекты локализации, возникающие из-за флуктуаций го вертикального транспорта. Эти электроны частично структурных параметров СР [3,4].

сохраняют анизотропию импульсного выстраивания или Вертикальный транспорт и эффекты локализации в спиновую ориентацию, первоначально созданную в СР в СР исследовались оптическими методами, поскольку результате поглощения линейно или циркулярно поляименно эти методы позволяют получать высокое спекризованного света. Электроны, связанные с дырками в тральное и временное разрешение по сравнению с обыч экситоны, в основном, по-видимому, локализуются в СР ными электрическими методиками. Идея таких методик на несовершенствах СР.

основана на введении в СР уширенной КЯ, которая служит индикатором электронов, инжектированных из СР. С помощью такой методики в основном иссле2. Эксперимент довалось поведение термализованных носителей заряда или экситонов, на транспорт которых существенно Эксперименты были выполнены на структуре, содервлияют эффекты локализации в СР. С другой стороны, жащей нелегированную СР GaAs/AlAs и уширенную КЯ исследование транспорта горячих носителей заряда в GaAs. Нелегированная СР была выращена на подложке СР в отличие от объемного полупроводника осложнено с ориентацией (100). Ширины КЯ (Lw) и барьеров (Lb) в тем, что приложение внешних полей, магнитных или СР были фиксированными и составляли соответственно электрических, заметно меняет электронный спектр СР.

40 и 6, а число периодов составляло 60. На СР была В данной работе, как и в более ранних работах, мы выращена легированная Be ( 1018 см-3) уширенная использовали метод уширенной КЯ, однако в отличие (100 ) КЯ GaAs (схематично данная структура покаот предшествующих работ мы исследовали спектр инзана на рис. 1). Также были выращены две тестовые жектированных из СР носителей заряда. С этой целью структуры, одна из которых представляла собой СР E-mail: sapega@dnm.ioffe.rssi.ru (40/6), легированную Be, другая Ч структуру с КЯ Вертикальный транспорт горячих электронов в сверхрешетках GaAs/AlAs или перпендикулярно их поляризации (elum eex) соответственно.

3. Результаты и обсуждение На рис. 2 представлены спектры фотолюминесценции структуры СР + КЯ, полученные при возбуждении люминесценции фотонами с различной энергией ex (спектр 1 Ч ex = 1.833 эВ, спектр 2 Ч ex = 1.664 эВ). Наиболее интенсивная полоса, обозначенная на спектре 1 как XSL, обусловлена рекомбинацией экситонов в СР (соответствующие оптические переходы показаны на рис. 1). Слабое плечо (QWN=2), по-видимому, связано с рекомбинацией через уровень акцептора электронов со второго уровня размерного квантования уширенной ямы. Слабая линия (обозначенная на спектре как SLЦQW) наблюдается в спектре, только когда энергия возбуждающих фотонов превышает запрещенную зону СР. Это подтверждает спектр 2, полученный при возбуждении фотонами с энергией ex = 1.664 эВ, что ниже по энергии экситонной полосы XSL CP. На высокоэнергетичном крае спектра также Рис. 1. Схематическое изображение структуры CP + КЯ [(40/6)+100] и оптические переходы, наблюдаемые в спектрах фотолюминесценции (см. рис. 2). Обозначения на схеме QW QW соответствуют обозначениям на рис. 2. N1 и N2 Чуровни SL размерного квантования уширенной КЯ, N1 Ч первая минизона СР.

(100/100), также легированную Be. Тестовые СР и КЯ использовались для интерпретации спектров структуры СР + КЯ. Для возбуждения горячей фотолюминесценции (ГФЛ) использовались перестраиваемый титансапфировый лазер, накачиваемый Ar+-ионным лазером.

Фотолюминесценция регистрировалась двойным решеточным монохроматором ДФС-24, снабженным фотоумножителем с системой счета фотонов. Эксперименты по деполяризации ГФЛ были выполнены в магнитных полях B 7 Тл в геометрии Фойхта (магнитное поле перпендикулярно волновому вектору фотона и лежит в плоскости слоев СР) или Фарадея (магнитное поле совпадает с направлением роста СР и с волновым вектором фотона). Линейная поляризация ГФЛ измерялась на высокочастотном крае спектра, и ее величина определялась с помощью стандартного выражения Рис. 2. Спектры фотолюминесценции структуры СР + КЯ I - I [(40/6)+100] при энергиях возбуждения ex = 1.833 эВ (1) l =, I + I и 1.664 эВ (2). Спектры тестовых СР (3) и КЯ (4) получены при возбуждении фотонами с энергией ex = 1.833 эВ.

где I и I Ч интенсивности люминесценции, поляри- Температура измерения T = 4 K. Особенности в спектрах зованной так же, как возбуждающие фотоны (elum eex) объясняются в тексте и на рис. 1.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 600 Д.Н. Мирлин, В.Ф. Сапега, В.М. Устинов Линейная и циркулярная поляризация ГФЛ, измеренная в СР (40/6), КЯ 100 и структуре СР + КЯ [(40/6)+100] Поляризация СР (40/6) КЯ 100 CР + КЯ [(40/6)+100] l 0.08 0.27 0.c 0.69 0.18 0.наблюдается ступенька 0, положение которой зависит от энергии возбуждающего света. При увеличении энергии возбуждения эта ступенька сдвигается в область больших энергий, однако при энергиях возбуждения, меньших, чем ширина запрещенной зоны СР, она в спектре ФЛ отсутствует (ср. спектры 1 и 2). B отличие от рассмотренных ранее линий ФЛ, ступенька 0 линейно поляризована при возбуждении линейно поляризованным светом. При возбуждении циркулярно поляризованным светом ступенька 0 и полоса SLЦQW циркулярно поляризованы, однако степень циркулярной поляризации ступеньки 0 вдвое превышает степень поляризации полосы SLЦQW. Значения линейной и циркулярной поляризаций (l и c), измеренные на высокочастотном крае спектра ГФЛ (точка 0 в спектре), приведены в таблице.

Для сравнения на рис. 2 приведены спектры интенсивности ФЛ тестовых структур Ч СР (спектр 3) и структуры с КЯ (спектр 4), полученные при возбуждеРис. 3. Зависимости интенсивности полос XSL и SLЦQW от нии фотонами с энергией ex = 1.833 эВ. В спектре магнитного поля, приложенного перпендикулярно направлетестовой СР, кроме экситонной полосы XSL, наблюданию роста СР (геометрия Фойхта). Температура измерения ется также полоса e-A0, обусловленная рекомбинацией T = 4K.

термализованных электронов с дырками на акцепторе (отметим, что тестовая СР, в отличие от СР в структуре СР + КЯ, легирована акцепторами). Стрелками с обознарелаксации) достигших уширенной КЯ. О баллистичечением 0 на спектрах 3 и 4 отмечены точки, в которых ском характере транспорта свидетельствует заметная измерялись линейная и циркулярная поляризации ФЛ в линейная и циркулярная поляризация ГФЛ электронов, тестовых структурах, а измеренные в этих спектральных инжектированных из СР.

точках величины поляризаций представлены в таблице.

На рис. 3 приведены зависимости интенсивности по- Действительно, поглощение линейно или циркулярно поляризованного света в СР приводит к выстраиванию лос XSL и SLЦQW от величины внешнего магнитного поля, приложенного в геометрии Фойхта (т. е. магнит- по импульсам или ориентации по спинам фотовозбужденных электронов [5Ц7]. Эти электроны за время ное поле лежит в плоскости слоев КЯ). В магнитном баллистического транспорта из СР в уширенную КЯ поле интенсивность полосы XSL заметно возрастает (в 1.5 раза) при увеличении поля от 3 до 6 Тл. Напро- частично сохраняют выстраивание по импульсам или ориентацию по спинам. Поэтому при рекомбинации вытив, интенсивность полосы SLЦQW слегка (на 10%) строенных по импульсам или ориентированных по спиуменьшается при изменении магнитного поля в этом нам электронов с равновесными дырками на акцепторах диапазоне. Интенсивности полос люминесценции e-Aрождаются линейно или циркулярно поляризованные и QWN=2 практически не зависят от магнитного поля.

фотоны. Поскольку акцепторами легирована только ушиОбсудим природу полосы SLЦQW и ступеньки 0.

инейно поляризованная ступенька 0 и неполяризован- ренная КЯ, линейно или циркулярно поляризованное ная полоса SLЦQW наблюдаются в спектре ФЛ только излучение обусловлено рекомбинацией электронов, возпри возбуждении фотонами с энергией, превышающей бужденных в СР и баллистически достигших уширенной ширину запрещенной зоны СР. Поэтому мы полагаем, КЯ. Поляризованная ГФЛ могла бы быть обусловлена что ступенька 0 и полоса SLЦQW обусловлены реком- рекомбинацией электронов непосредственно с дырками бинацией через уровень акцептора, локализованного в в СР, но мы такую возможность исключаем, поскольку уширенной КЯ, электронов, инжектированных из СР. СР акцепторами не легирована. С другой стороны, При этом предполагается, что линейно поляризованная электроны, возбужденные в КЯ при линейно или цирступенька 0 обусловлена рекомбинацией через уровень кулярно поляризованной накачке, также рекомбинируют акцептора КЯ электронов, возбужденных в СР и балли- с дырками на акцепторах с излучением поляризованных стически (т. е. не испытав энергетической и импульсной фотонов. Однако доля таких электронов, по-видимому, Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Вертикальный транспорт горячих электронов в сверхрешетках GaAs/AlAs мала из-за малости размера КЯ по сравнению со всей СР), так и электроны с волновым вектором Q 0.

СР. Это подтверждается исследованиями спектра ГФЛ, Следовательно, эти две группы электронов вносят вклад полученного при возбуждении фотонами с энергиями, в ГФЛ инжектированных в КЯ электронов с наименьшими ширины запрещенной зоны СР, т. е. когда меньшей вероятностью. Поэтому линейная и циркуэлектроны рождаются только в КЯ. При таком воз- лярная поляризация ГФЛ определяется электронами, буждении ступенька 0 в спектре КЯ не наблюдается баллистически инжектированными в КЯ с ненулевым (ср. спектр 2 и спектр 1 на рис. 2).

атеральным и неэкстремальным минизонным квазиСравним поляризационные характеристики ГФЛ, из- импульсом (0 < Q

поляризации ступеньки 0 (см. таблицу) оказалась равной Следует отметить, что степень выстраивания электронов 16%, что существенно превышает степень поляризации по импульсам или степень ориентации по спинам могут бесфононного пика, измеренную в тестовой СР с параизмениться в процессе захвата в КЯ. Однако наши метрами, аналогичными СР в системе СР + КЯ. В тесторезультаты (заметная линейная и циркулярная поляривой СР поляризация ГФЛ при аналогичном возбуждении зации ГФЛ) свидетельствуют о том, что при захвате в (кинетическая энергия фотовозбужденных электронов КЯ импульсное выстраивание и спиновая ориентация не сравнима с шириной минизоны СР) не превышает релаксируют полностью.

l 0.08. С другой стороны, линейная поляризация поНеполяризованную полосу SLЦQW мы связываем с лосы 0 заметно меньше, чем поляризация бесфононного рекомбинацией через уровень акцептора КЯ электронов, пика, измеренная при той же энергии в КЯ, аналогичной инжектированных из СР. Однако энергетическое полоуширенной КЯ в системе СР + КЯ. Это означает, что жение этой полосы и тот факт, что она не поляризована электроны, инжектированные из СР в КЯ, частично солинейно, свидетельствуют об инжекции электронов в храняют выстраивание по импульсам, созданное в СР в КЯ со дна минизоны проводимости СР. Очевидно, что результате поглощения линейно поляризованного света.

функция распределения электронов по квазиимпульсам, Это также означает, что электроны достигают ушидостигших дна минизоны СР, изотропна, а их рекомбиренной КЯ в результате баллистического транспорта.

национное излучение не поляризовано линейно. В соОбсудим причины, приводящие к уменьшению линейной ответствии с таким объяснением природы этой полосы, поляризации ГФЛ электронов, инжектированных в КЯ из ее энергетическое положение определяется положением СР, по сравнению с ее поляризацией в тестовой СР.

дна минизоны и потому не должно зависеть от энерВ полупроводниковой СР поглощение линейно или гии возбуждающего света (в отличие от ступеньки 0).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам