Внутризонные переходы неравновесных носителей заряда в GaAs/AlGaAs квантовых ямах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Зибик, Евгений Анатольевич

• Зибик, Евгений Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Зибик, Евгений Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РАЗОГРЕВЕ ЭЛЕКТРОНОВ В

ПРЯМОУГОЛЬНОЙ КВАНТОВОЙ ЯМЕ.

1.1 Введение.:.

1.2 Межподзонные переходы электронов (обзор литературы).

1.2.1 Размерное квантование электронов в случае прямоугольной квантовой ямы.

1.2.2 Межподзонные оптические переходы.17.

1.2.3 Влияние многочастичных эффектов на межподзонное поглощение света.

1.3 Межподзонные переходы горячих электронов в простых прямоугольных квантовых ямах (оригинальная часть).

1.3.1 Образцы и методика эксперимента.

1.3.2 Результаты и их обсуждение.

1.4 Выводы к первой главе.;.

ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РАЗОГРЕВЕ ДЫРОК.

2.1 Введение (обзор литературы).

2.2 Экспериментальные образцы и методика эксперимента.

2.3 Результаты эксперимента и теоретического расчета для внутризонного поглощения дырок в квантовой яме ОаА5/Аьо.5Оао.5А8.

2.3.1 Особенности равновесного и неравновесного внутризонного поглощения дырок.

2.3.2 Обсуждение экспериментальных результатов.

2.4 Исследование поглощения для переходов уровень-континуум при разогреве дырок в структуре Ое/Ое81.

2.5 Выводы ко второй главе.

ГЛАВА 3.МЕЖПОДЗОННАЯ РЕЛАКСАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В КР

СТРУКТУРАХ С Г-Х ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ.

3.1 Влияние Г - X смешивания на свойства электронов в КР структурах.

3.1.1 Электронные свойства КР структур с Г—X смешиванием.

3.1.2 Оптические свойства КР структур с Г-Х смешиванием.

3.2 Динамика носителей в структурах с Г - X смешиванием второго типа.

3.3 Особенности структур с Г - X смешиванием типа 1.

3.3.1 Описание экспериментального образца. Расчет энергетических состояний внутри зоны проводимости.

3.3.2 Равновесное оптическое поглощение исследуемого образца.

3.4 Метод время разрешающей "pump and probe" спектроскопии.

3.4.1 Сравнительный анализ существующих методик для определения времени жизни носителей.

3.4.2 Описание экспериментальной установки и методики эксперимента.

3.5 Исследование релаксации неравновесных электронов при межподзонном возбуждении.

3.5.1 Временная эволюция спектра поглощения при сильном внутризонном возбуждении.

3.5.2 Релаксация неравновесных электронов в условиях Г-X смешивания возбужденного состояния.

3.6 Выводы к третьей главе.

ГЛАВА 4 ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ТУННЕЛЬНО-СВЯЗАННЫХ КВАНТОВЫХ ЯМАХ.

4.1 Введение.

4.2 Исследование оптических и временных свойств неравновесных электронов в туннельно-связанных квантовых ямах.

4.2.1 Описание исследуемого образца и методики эксперимента.

4.2.2 Равновесное поглощение.

4.2.3 Самосогласованный расчет зонной структуры DQW.

4.2.4 Изменение спектра поглощения при оптическом межподзонном возбуждении.

4.2.5 Динамика релаксации фотовозбужденных неравновесных электронов.

4.2.6 Влияние разогрева электронного газа в продольных электрических полях на межподзонное поглощение в АТСКЯ.

4.3 Выводы к четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Внутризонные переходы неравновесных носителей заряда в GaAs/AlGaAs квантовых ямах»

В последнее время, в связи с развитием глобальной сети INTERNET, все большее внимание уделяется проблеме передачи как можно большого количества информации на как можно большее расстояние. Использование линий оптической связи позволяет до некоторой степени разрешить эту проблему, можно передавать сотни гигабайт информации со скоростью света. Однако для этого требуются сверхбыстродействующие устройства, способные передавать и принимать такой объем информации. Современное развитие технологии, а также физики полупроводников привели к созданию так называемых квантово-размерных структур. Данные структуры примечательны тем, что энергетический спектр носителей заряда в них квантуется в одном или более направлениях. Это делает возможным конструировать образцы с нужным энергетическим спектром. Такие структуры имеют ряд преимуществ по сравнению с объемными полупроводниками, например, использование внутризонных переходов позволяет изготавливать оптические приборы, такие как фотоприемники, лазеры, модуляторы, с очень большим быстродействием и с очень высокой эффективностью по сравнению с объемными аналогами. Так быстродействие модулятора для среднего инфракрасного диапазона, основанного на межподзонных переходах носителей заряда, определяется характерным временем порядка одной пикосекунды. Недавно в работе [1] было доложено о времени релаксации для межподзонных переходов электронов в квантовой яме типа GaN/GaAIN порядка 100 фемтосекунд. Таким образом, появляются неограниченные возможности для передачи большого количества информации с помощью волоконно-оптических линий связи (BOJIC).

Актуальность темы. В последнее время большой интерес проявляется к исследованию межподзонных переходов носителей заряда в квантово-размерных структурах, в том числе в квантовых ямах и квантовых точках. Это связано с разработкой ИК-фотодетекторов на межподзонных переходах [2], модуляторов ИК-излучения [3], а также с возможностью создания лазеров на межподзонных переходах на средний и дальний ИК диапазоны [4, 5]. Большую роль в таких приборах играют переходные процессы, связанные с неравновесными носителями заряда и их релаксацией. Так быстродействие и эффективность этих устройств определяется скоростью внутризонной релаксации носителей, которая составляет 10п-1012 с"1. Поэтому знание динамики релаксационных процессов, их характерные времена и основные механизмы, позволит оптимизировать существующие и разрабатывать новые приборы наноэлектроники.

Кроме прикладного аспекта исследования динамики неравновесных носителей имеют также большой фундаментальный интерес. К таким исследованиям можно отнести изучение влияния на межподзонную релаксацию возбужденных электронов их переноса в реальном пространстве (real space transfer, RST) в связанные барьерные состояния под действием объемного заряда, а также перенос носителей в реальном и импульсном пространстве при междолинном Г-Х рассеянии. В случае структуры GaAs/AlxGaixAs с содержанием А1 х>0.4, квантовая яма для X - электронов находится в области AlxGai.xAs-слоя, в то время как квантовая яма для Г - электронов в слое GaAs. Согласно расчетам других авторов методом Монте-Карло [6] при интенсивном забросе носителей на X-уровень в барьере возникает инверсия населенности электронов между этим X-уровнем и Г-уровнем в яме. Определение скорости и основные механизмы рассеяния носителей при RST и междолинном переносе позволит реально оценить возможность появления такой инверсии.

Наряду с оптическим возбуждением, неравновесные носители можно создавать, разогревая их электрическим полем. Достаточно много работ посвящено изучению влияния на оптические свойства наноструктур поперечного квантово-размерным слоям электрического поля, однако исследованием оптических явлений при разогреве двумерных носителей заряда продольным квантово-размерным слоям электрическим полем, не уделялось должного внимания, и работ посвященной данной тематике известно немного. Значительный интерес к явлениям в сильных греющих полях можно объяснить возможностью создания на их основе малоинерционных модуляторов и лазеров среднего и дальнего инфракрасного диапазона.

Таким образом, результаты работы будут полезны как для понимания природы происходящих процессов при разогреве и релаксации неравновесных носителей в квантово-размерных структурах различного типа, так и при решении прикладных задач.

Целью настоящей работы является изучение процессов, связанных с внутризонными переходами неравновесных носителей заряда в наноструктурах СаАз/АЮаАБ с квантовыми ямами различных типов. Среди основных поставленных задач можно отметить следующие:

• изучение влияния на оптический спектр межподзонного поглощения процессов разогрева носителей заряда в продольном электрическом поле и определение возможности малоинерционной оптической модуляции;

• исследование динамических характеристик фотовозбужденных электронов, определение особенностей их релаксации при межподзонном возбуждении в структурах с Г - X взаимодействием;

• определение времен межподзонной релаксации и межъямного туннелирования и исследование спектральных особенностей межподзонного поглощения для неравновесных электронов в асимметричных туннельно-связанных структурах.

Научная новизна работы:

1. Впервые экспериментально и теоретически исследованы эффекты влияния разогрева электронного и дырочного газа в сильных продольных электрических полях на межподзонное поглощение в наноструктурах на основе квантовых ям различного типа.

2. Впервые экспериментально обнаружено влияние Г-Х смешивания на межподзонную релаксацию возбужденных носителей заряда в наноструктурах с высоким содержанием А1 в барьере.

3. Измерены характерные времена междолинного Г-Х и Х-Г переноса с одновременным переносом в реальном пространстве и их температурная зависимость.

4. Экспериментально и теоретически исследованы процессы разогрева и внутризонной релаксации носителей заряда в двойных асимметричных туннельно-связанных квантовых ямах. Обнаружено влияние объемного заряда, возникающего вследствие модулированного легирования, и межъямного туннелирования как на оптические, так и на динамические свойства неравновесных электронов.

Достоверность и надежность результатов определяется воспроизводимостью результатов, проведением тестовых и сравнительных экспериментов, статистической обработкой полученных данных, сравнением с результатами, полученными другими методами, использовании аппаратуры, имеющей метрологическое обеспечение, а также согласии ряда полученных экспериментальных данных с результатами расчетов, как автора, так и других авторов.

Практическая ценность работы.

Результаты выполненных исследований способствуют развитию фундаментальных представлений о межподзонных переходах неравновесных носителей заряда в квантово-размерных структурах. Получен ряд новых результатов, важных для понимания физических процессов протекающих при разогреве и релаксации носителей. Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются объектами исследований, используемых в работе.

Разработаны методики и построена экспериментальная установка, представляющие интерес для исследователей, работающих в области физики полупроводников и полупроводниковых квантово-размерных структур. Изученные явления могут быть основой для разработки электрооптических приборов нового типа.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разогрев носителей заряда продольным электрическим полем приводит к существенной модуляции межподзонного поглощения, которая вызвана заселением состояний с более высокой энергией внутри основной подзоны, а также более высоко лежащих энергетических состояний.

2. Модуляция межподзонного поглощения и изменение оптической анизотропии в структурах п-типа, легированных в барьере, определяется главным образом процессами переноса неравновесных электронов в реальном пространстве, что приводит к пороговому характеру изменения поглощения и к голубому сдвигу пика поглощения с разогревом.

3. В квантово-размерных структурах р-типа в результате смешивания состояний для легких и для тяжелых дырок (которое снимает запрет на поглощение света обеих поляризаций) разогрев дырок в сильном поле или при увеличении температуры кристалла изменяет внутризонное поглощение для обеих поляризаций света; это открывает возможность определения температуры горячих дырок.

4. Эффективное Г-Х смешивание и междолинное рассеяние оказывает существенное влияние на релаксацию электронов при межподзонном возбуждении.

5. В селективно-легированных туннельно-связанных квантовых ямах релаксация электронов и ее температурная зависимость определяется состояниями в барьерах и процессами рассеяния и туннелирования между квантовыми ямами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях: European Quantum Electronics Confer. (EQEC'94, Netherlands, 1994); 3, 4 Российские конференции по физике полупроводников (Москва, 1997; Новосибирск, 1999); 1997 International Semiconductor Device Research Symposium (Omni Charlottesville Hotel, USA, 1997); 9th International Conference on Hot Carriers in Semiconductors (Chicago,

1995); Conferences on Laser and Electro-Optics (Anaheim, 1996); 2-5 Intern.

Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St. Petersburg, 1994-1997); 7th, th

9 International Conference on Superlattices, Microstructures and Microdevices (Canada,

1994; Liege, 1996); Conference on Laser and ElectroOptics CLEO/Pacific Rim'95 th • *

Japan, 1995); 9 , Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors (Vilnius, 1995); 23rd, International Conference on the Physics of Semiconductors (Berlin, 1996;); 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (St. Petersburg,

1996); 15th, IEEE International Semiconductor Laser Confer. (Haifa, 1996); European Conference on Lasers and Electro-Optics (Glasgow, 1998); 11 Intern. Confer, on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (Kyoto, 1999); 13rd International Conference on Low-Dimensional Structures and Devices (Antalya, 1999), совещание no нанофотонике (ИФМ, Нижний Новгород, 1999), а также докладывались на семинарах в физическом институте университета города Байройт (Германия) и на кафедре физики полупроводников СПбГТУ.

Публикации. По материалам диссертации имеется 26 публикаций, из них 7 журнальных статей. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 102 наименования; содержит 142 страницы машинописного текста, в том числе 62 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Зибик, Евгений Анатольевич

Основные результаты опубликованы в следующих работах;

Статьи:

Al. Towe Е„ Sun D., Vorobjev L.E., Danilov S.N., Zibik E.A., Firsov D.A. A two-dimensional hot electron electro-optic effect in GaAs/(Al,Ga)As multiple quantum wells// Superlattises and Microstructures. - 1995. - v.17. - No.2. - p.129-133.

A2. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Zibik E.A., Firsov D.A., E.Towe, D.Sun, Toropov A.A., Shubina T.V. Electrooptical effect due to heating of two-dimensional electrons in multiple quantum wells // Lithuanian Journal of Physics. - 1995. - v.35 - N5-6. -p.363-367.

A3. Воробьев JI.E., Зибик E.A., Кочегаров Ю.В., Данилов С.Н., Фирсов Д.А., Тове Е., Сан Д., Торопов А.А., Шубина Т.В. Оптические явления при разогреве электронов в системе квантовых ям GaAs-AlGaAs продольным электрическим полем // ФТП. - 1995. - т.29. - в. 5-6. - с.1136-1148.

А4. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Donetsky D.V., Zibik E.A., Kochegarov Yu.V., Firsov D.A., Shalygin V.A., Saydashev I.I., Shik A.Ya., Golub L.E., Aleshkin V.Ya., Kuznetsov O.A., Orlov L.K. Optical properties of hot two-dimensional electrons and holes in quantum wells in longitudinal electric field // The Physics of Semiconductors, ed. by M.Scheffler and R.Zimmermann, World Scientific, Singapore, V.3, pp. 18871890, 1996.

A5. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Zibik E.A., Firsov D.A., Shalygin V.A., Saydashev I.I., Shik A.Ya., Aleshkin V.Ya., Kuznetsov O.A., Orlov L.K. Electro-optical phenomena accompanying electron and hole heating in superlattices and quantum wells GaAs/AlGaAs and Ge/GeSi // Superlattices and Microstructures. -1997. - v.22. -No.4. - p.467-473.

A6. Vorobjev L.E., Zibik E.A., Firsov D.A., Shalygin V.A., Towe E., Toropov A.A., Shubina T.V. Fast modulation of infrared light by hot electrons in tunnel-coupled GaAs/AlGaAs quantum wells // Physica B. - 1999. - v.272. - pp. 451-453.

А7. Schmidt S.R., Zibik E.A., Seilmeier A., Vorobjev L.E., Zhukov A.E., Ustinov V.M. Observation of real space transfer in GaAs/AlAs quantum well structures due to Г-Х-mixing // Appl. Phys. Lett. - 2001. - v.78. - N 9. - pp. 1261-1263.

Тезисы докладов и труды конференций

А8. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Donetsky D.V., Zibik E.A., Firsov D.A., Towe E., Sun D., Kastalsky A. Optical phenomena under heating of 2D electrons and holes in electric field in MQW GaAs-AlGaAs // Abstracts of Intern. Sympos. "Nanostructures: Physics and Technology". St.Petersburg, June 1994. pp. 17-21.

A9. Towe E., Sun D., Vorobjev L.E., Danilov S.N., Zibik E.A., Firsov D.A.

Birefringence on hot 2D-electrons in GaAs-AlGaAs MQW // Abstracts of European Quantum Electronics Confer. (EQEC'94), Netherlands, 1994.

A10. Towe E., Sun D., Vorobjev L.E., Danilov S.N., Zibik E.A., Firsov D.A.

Birefringence on hot 2D-electrons in GaAs-AlGaAs MQW // Program and Abstracts of the 7th Intern. Conf. on Superlattices, Microstructures and Microdevices, 1994, Canada, p. 149.

All. VorobjevL.E., Danilov S.N., ZibikE.A., Firsov D.A., Towe E., Sun D., Toropov A.A., Shubina T.V. A hot electron birefringence in GaAs/AlGaAs multiple quantum wells // Abstracts of invited lectures and contributed papers of International Symposium "Nanostructures: physics and technology", St.Petersburg, June 26-30, 1995, p.159.

A12. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Donetsky D.V., Kochegarov Yu.V., Zibik E.A., Firsov D.A. Optical interaction with hot carriers in GaAs-AlGaAs quantum well structures // Conference on Laser and ElectroOptics CLEO/Pacific Rim'95, Japan, July 11-14, 1995.

A13. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Donetsky D.V., Kochegarov Yu.V., Zibik E.A., Firsov D.A., Towe E., Sun D., Kastalsky A. Optical phenomena connected with hot carrier intersubband transitions in MQW GaAs-AlGaAs // Abstracts of 9th Conference on Hot Carriers in Semiconductors, Chicago, July 31-August 4, 1995.

A14. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Zibik E.A., Firsov D.A., Towe E., Sun D., Toropov A.A., Shubina T.V. Electrooptical effect due to heating of two-dimensional electrons in multiple quantum wells // Abstracts of 9th Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors. Vilnius, September 1995, p.2.

А15. Vorobjev L.E., Zibik E.A., Kochegarov Yu.V., Firsov D.A. 2D-carrier far- and middle-infrared absorption in Ge/GeSi and GaAs/AlGaAs quantum wells in longitudinal electric field // Nanostructures: Physics and technology. Abstracts of invited lectures and contributed papers. St.Petersburg, 1996, p.249-252.

A16. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Donetsky D.V., Zibik E.A., Kochegarov Yu.V., Firsov D.A., Shalygin V.A., Saydashev I.I., Shik A.Ya., Golub L.E., Aleshkin V.Ya., Kuznetsov O.A., Orlov L.K. Optical properties of hot two-dimensional electrons and holes in quantum wells in longitudinal electric field // Abstracts of the 23rd Intern. Confer, on the Physics of Semiconductors, Berlin, Germany, 1996, ThP-97.

A17. Vorobjev L.E., Danilov S.N., Zibik E.A., Firsov D.A., Shalygin V.A., Saydashev I.I., Shik A.Ya., Aleshkin V.Ya., Kuznetsov O.A., Orlov L.K. Electro-optical phenomena accompanying electron and hole heating in superlattices and quantum wells GaAs/AlGaAs and Ge/GeSi // Abstract workbook of 9th Intern. Confer, on Superlattices, Microstructures and Microdevices, Liege, Belgium, 1996, ThP-29.

A18. Vorobjev L.E., Golub L.E., Donetsky D.V., Zibik E.A., Kochegarov Yu.V., Firsov D.A.,.Shalygin V.A, Saydashev I.I., Aleshkin V.Ya., Kuznetsov O.A., Orlov L.K., Towe E., Cheng T.S., Foxon C.T. Infrared and far-infrared absorption and emission by hot carriers in GaAs/AlGaAs and Ge/GeSi multiple quantum wells // Proceed, of the 25th Internat. Sympos. on Compound Semiconductors. Institute of Physics Conference Series No. 155, p.153-156. 1997.

A19. Vorobjev L.E., Golub L.E., Zibik E.A., Titkov I.E., Firsov D.A., Shalygin V.A., Towe E. Absorption of infrared radiation caused by bound-to-bound and bound-to-continuum direct transitions of hot carriers in simple rectangular and asymmetrical coupled quantum wells // Nanostructures: Physics and technology. Abstracts of invited lectures and contributed papers. St.Petersburg, June 23-27, 1997, p.161-164.

A20. Воробьев Jl.E., Ермилов A.B., Зибик E.A., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А.,

Голуб JI.E., Нащекина Н.О., Петров А.Г., Сайдашев И.И., Шик А.Я. Поглощение света свободными электронами и дырками в квантовых ямах GaAs/AlGaAs в поперечном и продольном электрических полях // Тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции по физике полупроводников. (Москва, 1-5 декабря 1997 г.). Стр.346.

А21. Vorobjev L.E., Zibik E.A., Titkov I.E., Firsov D.A., Shalygin V.A., Towe E., Noshchokina O.N., Petrov A.G., I.I.Saydashev, A.Ya.Shik. Modulation of infrared radiation and photoconductivity in quantum wells in transverse and longitudinal strong electric field. Proceedings of the 1997 International Semiconductor Device Research Symposium, December 10-13, 1997, Omni Charlottesville Hotel, USA, p.285-288.

All. Vorobjev L.E., Zibik E.A., Titkov I.E., Firsov D.A., Shalygin V.A., Towe E., Nashchokina O.N., Saydashev I.I. Electro-optic modulation in quantum wells in transverse and longitudinal strong electric fields // European Conference on Lasers and Electro-Optics, Glasgow, Scotland, 14-18 September 1998. A23. Воробьев JI.E., Зибик E.A., Фирсов Д.A., Fu Y., Willander M. Межподзонное поглощение и двойное лучепреломление ИК излучения горячими электронами в двойных туннельно-связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs // Нанофотоника. Материалы совещания (Нижний Новгород, 15-18 марта 1999 г.). Институт физики микроструктур РАН, 1999 г., с.227-230. А24. Vorobjev L.E., Zibik Е.А., Firsov D.A., Towe E., Toropov A.A., Shubina T.V. Fast modulation of infrared light by hot electrons in tunnel coupled GaAs/AlGaAs quantum wells // Abstracts of the 11 Int. Conf. on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (HCIS-11), Kyoto, Japan, 19-23 My, 1999, p.193 A25. Vorobjev L.E., Zibik E.A., Titkov I.E., Firsov D.A., Towe E., Toropov A.A., Shubina T.V., Fu Y., Willander M. High-speed infrared light modulation in coupled GaAs/AlGaAs quantum wells in strong lateral electric field. Programme and Abstract Book of the 13rd International Conference on Low-Dimensional Structures and Devices, 15-17 September 1999, Antalya, Turkey, p.186 A26. Воробьев JI.E., Данилов C.H., Зерова B.JI., Зибик E.A., Титков И.Е., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А., Ветчинкина В.А., Fu Y., Willander М., Towe Е. Внутризонное поглощение света в туннельно-связанных квантовых ямах при разогреве электронов. Тезисы докладов 4 Российской конференции по физике полупроводников, 25-29 октября 1999 г., Новосибирск, Академгородок, с. 185.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Обнаружено, что разогрев носителей продольным электрическим полем приводит к существенной модуляции межподзонного поглощения, которая вызвана заселением состояний с более высоким импульсом, а также более высоко лежащих энергетических состояний.

2. Модуляция межподзонного поглощения света с поляризацией вдоль оси роста в структурах, легированных в барьере, определяется главным образом процессами пространственного переноса носителей в область объемного заряда примесей, что приводит к пороговому характеру изменения поглощения, а также к голубому сдвигу пика поглощения с разогревом. В сильных продольных электрических полях > 1750 кВ/см существенный разогрев электронов значительно повышает концентрацию неравновесных фононов, и как следствие увеличивается вероятность непрямых внутри- и межподзонных переходов с их участием. Это влечет также увеличение поглощения света с параллельной слоям поляризацией.

3. Обнаружено изменение оптической анизотропии, связанной в силу соотношения Крамерса-Кронига с изменением поглощения для межподзонных переходов при разогреве электронов.

4. В квантово-размерных структурах р-типа в результате смешивания состояний для легких и для тяжелых дырок (которое снимает запрет на поглощение света обеих поляризаций) разогрев дырок одинаково изменяет поглощение для обеих поляризаций света. Разогрев носителей приводит к монотонному увеличению поглощения во всем спектре, из-за увеличения числа возможных переходов.

5. Из сравнения изменения внутризонного поглощения при разогреве дырок электрическим полем и изменения поглощения при изменении температуры кристалла была экспериментально определена температура горячих дырок в зависимости от поля.

6. Необходимо принимать во внимание Г-Х взаимодействие и междолинный перенос электронов не только в квантово-размерных структурах второго типа, но также и в структурах первого типа, где существует эффективное Г-Х смешивание. Междолинное рассеяние оказывает существенное влияние на релаксацию электронов при межподзонном возбуждении, если возбужденный уровень находится практически в резонансе или выше X - состояния.

7. Методом время разрешающей "pump and probe" спектроскопии измерены характерные времена междолинного рассеяния электронов. Так при Т = 10 К для исследованной структуры время Г-Х рассеяния составляет 2.5 пс, время обратного Х-Г рассеяния больше и составляет 4.5 пс.

8. Показано, что метод время разрешающей "pump and probe" спектроскопии позволяет наблюдать оптические переходы, которые отсутствуют в равновесном спектре поглощении. Спектр поглощения при возбуждении электронов на частоте переходов Г1-Г2 имеет ярко выраженную широкую полосу фотоиндуцированного поглощения для переходов Г2-ГЗ. Кроме этого, в зависимости просветления зондирующего сигнала при фиксированном времени задержки от частоты накачивающего сигнала обнаружена особенность, которая связана с прямыми оптическими переходами Г1-Х21.

9. Существование объемного заряда и возможность переноса носителей в реальном пространстве значительно изменяет динамику электронов при межподзонных переходах в асимметричных туннельно-связанных квантовых ямах (АТСКЯ), появляется долговременная компонента восстановления поглощения связанная с переносом носителей в барьерные состояния. В исследованной структуре связанные состояния в барьере появляются вследствие существования пространственного заряда между ионизованными атомами примеси в барьере и электронами в квантовой яме, а также из-за высокого содержания AI в барьере, что в свою очередь приводит к существованию квантовой ямы для Х-электронов.

10. Из динамики межподзонной релаксации электронов определены времена межъямного переноса электронов в АТСКЯ между первым и вторым уровнями. При комнатной температуре время туннелирования меньше 1 пс, при азотной температуре оно составляет для туннелирования из узкой ямы в широкую 15 пс и 5 пс для туннелирования из широкой ямы в узкую. Проведенные расчеты показали, что перенос электронов определяется рассеянием на LO-фононах и ионизованных примесях, причем первый механизм является доминирующим при комнатной температуре, в то время как второй отвечает за перенос при азотной и ниже. Рассчитанные времена т12 = 13 пс и t2i = 3.2 пс хорошо согласуются с определенными экспериментально.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Зибик, Евгений Анатольевич, 2001 год

1. Iizuka N., Kaneko К., Suzuki N., Asano Т., and Noda S. Ultrafast intersubband relaxation <150 fs in AlGaN/GaN multiple quantum wells// Appl. Phys. Let. V. 77. -N. 5. - pp.648-650. - 2000.

2. Levin B.F. Quantum-well photodetectors // J. Appl. Phys. -1993. v.74. - p. R1

3. Dupont E., Delacourt D., Berger V., Vodjdani N., Papuchon M. Phase and amplitude modulation based on intersubband transitions in electron transfer double quantum wells // Appl. Phys. Lett. 1992. - v.62. - No. 16. - p. 1907-1909.

4. Faist J., Capasso F., Sivco D.L., Sirtori C., Hutchinson A.L., Cho A.Y. Quantum cascade laser // Science. -1994. v.264. - p.553.

5. Gauthier-Lafaye O., Boucaud P., Julien F.H. et al. Long-wavelength («15.5 prn) unipolar semiconductor laser in GaAs quantum wells // Appl. Phys. Lett. -1997. v.71. -p.3619-3621.

6. Алешкин В.Я., Андронов A.A. Гигантская инверсия населенности горячих электронов в гетероструктурах типа GaAs/AlAs с квантовыми ямами // Письма в ЖЭТФ,- 1998,-v.68.-№l.-c.73-77.

7. Harwit A., Harris J.C. Jr. Observation of Stark shifts in quantum well intersubband transitions // Appl. Phys. Lett. 1987. - v.50. - p.685-687.

8. West L.C., Eglash S.I. First observation of an extremely large-dipole infrared transition within the conduction band of a GaAs quantum wells. Appl. Phys. Lett. 46, 1156-1158 (1985).

9. Intersubband Transitions in Quantum Wells. Editors E.Rosencher, B.Vinter, B.Levine. NATO ASI Series. Serie B, Physics, v.288, Plenum Press, N.Y. and London, 1992.

10. Quantum Well Intersubband Transitions Physics and Devices. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1994.

11. Miller R.C., Gossard A.C., Kleinman D.A., Munteanu O. // Phys. Rew. B. 29. -p.3740. - 1984.

12. Dingle R., In:H.J.Queisser (ed.):Advances in Solid State Physics, Vol.15, Pergamon Press/Vieweg, Braunschweig, 1975

13. Casey H.C. Jr., Panish M.B. Heterostructure lasers// Academic Press. New York. -1978.

14. Adachi S. Properties of Aluminium Gallium Arsenide.// Inspec, Inst, of Electrical Engineers, EMIS Datarewiews Series (7), 1993.

15. Bastard G. Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures. Les Ulis; Editions de Physique, 1988, 360 p.

16. Mitin V.V., Kochelap V.A., Stroscio M.A. Quantum heterostructures. Microelectronics and optoelectronics. Cambridge University Press, 1999.

17. Manasreh M.O., Szmulowicz F., Vaughan Т., Evans K.R., Stutz C.E., Fisher D.W. Intersubband infrared absorption in a GaAsZAlo.3Gao.7As multiple quantum well. In 3., p.287-297.

18. Manasreh M.O., Szmulowicz F., Vaughan Т., Evans K.R., Stutz C.E., Fisher D.W. Origin of blueshifl in the intersubband infrared absorption in GaAs/Al0.3Ga0.7As multiple quantum wells// Phys. Rew. B. 43. - N.12. - pp.9996-9999. - 1991.

19. Ekenberg U. Enhancement of nonparabolicity effects in quantum well// Phys. Rew. B. -36.-N.ll.-pp.6152-6155.- 1987.

20. Ando Т., Fowler A., Stern F. Electronic properties of two-dimensional systems. Reviews of Modern Physics 54, No. 2, (1982), см. перевод: Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф. Электронные свойства двумерных систем. М, "Мир", 1985, 415 с.

21. Kim B.W., Majerfeld A. Electronic and intersubband optical properties of p-type GaAs/AlGaAs superlattices for infrared photodetectors// J.Appl.Phys. 77. - N. 9. -pp.4552-4563. - 1995.

22. Bandara K.M.S.V., Coon D.D., Byungsung O., Lin Y.F, Francomble M.H. Exchange interaction in quantum well subbands. Appl. Phys. Lett. 53, No. 20, 1931-1933 (1988).

23. Choe J.-W., Byungsung O., Bandara K.M.S.V., Coon D.D. Exchange interaction effects in quantum well infrared detectors and absorbers. Appl. Phys. Lett. 56, No. 17, 1679-1681 (1990).

24. Л.Е.Воробьев, И.И.Сайдашев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин. Двулучепреломление и поглощение света при межподзонных переходах горячих электронов в квантовых ямах. Письма в ЖЭТФ, т.65, No.7, с.525-530 (1997).

25. Tsujino S., Ruefenacht М., Nakajama Н., Noda Т., Metzner С., Sakaki Н. Peak position of the intersubband absorption spectrum of quantum wells with controlled electron concentrations//Phys. Rev. B. v.62. -N.3. -pp.1560-1563. -2000.

26. Sakaki H., Noda Т., Hirakawa K., Tanaka M., Matsusue T. Interface roughness scattering in GaAs/AlGaAs quantum wells// Appl. Phys. Lett. 51, No. 23, 1934-19361987).

27. Hoffman C.A., Meyer J.R., Youngdale E.R., Bartoli F.J., Miles R.H. Interface roughness scattering in semiconducting and semimetallic InAs-GaixInxSb superlattices// Appl. Phys. Lett. 63, No. 16, 2210-2212 (1993).

28. Helm M. Infrared spectroscopy and transport of electrons in semiconductor superlattices// Semic. Sci. Technol. 10, pp.557-575 (1995).

29. Zaluzny M. Intersubband absorption line shape in tunneling superlattices. Appl. Phys. Lett. 60, 1486-1488 (1992).

30. Rita Gupta, Balkan N., Ridley B.K. Hot-electron transport in GaAs quantum wells: effect of non-drifting hot phonons and interface roughness. Semicond. Sci. Technol. 7, B274-B278 (1992).

31. Kaiser J., Seilmeier A. Time and frequency resolved intersubband spectroscopy of quantum well structures// Phys.Stat.Sol.(b) v.204. - pp. 205-207. - 1997.

32. Воробьев Л.Е., Осокин Ф.И. Внутризонное поглощение света в n-InAs при разогреве электронов электрическим полем. ФТП 13, в. 8, 1494-1501 (1979).

33. G.G.Zegrya. Proc. of 1993 Intern. Semicond. Device Research Sympos., p.635, Charlottesville, USA, 1993.

34. Шик А.Я. Оптическое поглощение на гетерогранице. ФТП 22, в. 10, 1843-18471988).

35. Kaufman D., Sa'ar A., Kuze N. Anisotropy, birefringence, and optical phase retardation related to intersubband transitions in multiple quantum well structures. Appl. Phys. Lett. 64, No. 19, 2543-2545 (1994).

36. Zaluzny M., and Nalewajko С. Coupling of infrared radiation to intersubband transitions in multiple quantum wells: The effective-medium approach// Phys. Rew В -V.59, N.20, pp 13043-13053. - 1999.

37. Chiu L.C., Smith J.S., Margalit S., Yariv A., Cho A.Y. //Infr. Phys., 1983. v.23. -N.2. -p.23.

38. Шик А.Я. Внутризонная фотопроводимость гетероструктур с квантовыми ямами//ФТП. 1986. т.20. - №9. - с. 1598.

39. Шик А.Я. Оптическое поглощение на гетерогранице. ФТП 22, в. 10, 1843-1847 (1988).

40. Dargys A., Kundrotas J. Handbook on physical properties of Ge, Si, GaAs and InP// Vilnius. Sceince and Encyclopedia Publishers, 1994, 262 p.

41. Дьяконов М.И., Хаецкий A.B., Размерное квантование дырок в полупроводнике со сложной валентной зоной и носителей в бесщелевом полупроводнике// ЖЭТФ. -1982, т.82. - в.5. - с. 1594-1590.

42. Алешкин В.Я., Романов Ю.А. Поглощение инфракрасного излучения дырками в структурах с квантовыми ямами. ФТП 27, в. 2, 329-336 (1993).

43. Петров А.Г., Шик А.Я. Поглощение света дырками в квантовых ямах. ФТП 28, в. 12,2185(1994).

44. Голуб JI.E., Ивченко Е.Л., Расулов Р. Межподзонное поглощение света в квантовой яме полупроводника со сложной зонной структурой. ФТП 29, в. 6, 1093— 1099 (1995).

45. Edwards G., Valadares Е.С., and Shaard F.W. Hole subband states of GaAs/AlGaAs quantum wells within 6x6 Luttinger model// Phys.Rew.B. v.50. - N.12. - pp.8493-8501 (1994).

46. Yia-Chung Chang, James R.B. Saturation of intersubband transitions in p-type semiconductor quantum well. Phys.Rev. В 39, 12672-12681 (1989).

47. Park J.S., Karunasiri R.P.G., Wang K.L. Intervalence-subband transition in SiGe/Si multiple quantum wells — normal incident detection. Appl. Phys. Lett. 61, No. 6, 681683 (1992).

48. Fromherz T., Kruck P., Helm M., Bauer G., Nutzel J.F., Abstreiter G. Polarization dependence of intersubband absorption and photoconductivity in p-type SiGe quantum wells. Superlatt. and Microstr. 20, No. 2,237-243 (1996)

49. Chen H.H., Yeong-Her Wang. Near 10 pm intervalence subband optical transitions in p-type In0.49Gao.5iP-GaAs quantum well structures. IEEE Journ. of Quant. Electr. 32, 471 (1996)

50. Tsang L., and Chuang S.L. Intersubband absorption of TE and TM waves in p-type semiconductors superlattice including the effects of continuum states// IEEE Journal of Quantum Electronics. v.31. - N. 1. - pp.20-28 (1995).

51. Bandara K.M.S.V., Levine B.F., and Kuo J.M. P-doped singl quantum well infrared photodetector// Phys. Rev. B. v.48. - N.l 1. - pp.7999-8001.

52. Tadic M., Ikonic Z. Bound-free intersubband absorption in p-type doped semiconductor quantum wells. Phys. Rev. В 52, 8266-8275 (1995).

53. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987.

54. Леонбеоргер Ф.Дж., Донелли Дж.П. Полупроводниковые интегральные оптические устройства//в кн. Волноводная оптоэлектроника, под ред. Т.Тамира. М., "Мир", 1991, 574 с.

55. Конуэлл Э. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях. М., "Мир", 1970, 384 с.

56. Hilber W., Helm M., Alavi K., Pathak R.N. Superlatt. and Microstr. Energy relaxation of hot electrons in GaAs/AlGaAs superlattices measured by infrared differential spectroscopy. 21, No. 1, 85-90 (1997).

57. Shah J., Pinczuk A., Gossard A.C., Wiegmann W. Energy-loss rates of hot electrons and holes in GaAs quantum wells. Phys. Rev. Lett. 54, No. 18, 2045-2048 (1985)

58. Becker C., Sirtori C., Page H., Glastre G., Ortiz V., Marcadet X., Stellmacher M., and Nagle J. // Appl. Phys. Lett. v.77. - pp.463-465 (2000)

59. Шур M. Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир, 1991, 632 с.

60. Lu Y.-T., Sham L. J. Valley-mixing effects in short-periodsuperlattices// Phys. Rev. B. 1989. - V. 40. - No 8. - P. 5567-5578.

61. Ando Т., Akera H. Connection of envelope functions at semiconductor heterointerfaces. II. Mixing of Gamma and X valleys in GaAs/AlxGa,.xAs // Phys. Rev. В. 1989. - V. 40. - No 17.-P. 11619-11633.

62. Mendez E.E., Calleja E., Goncalves da Silva C.E.T., Chang L.L. and Wang W.L. Observation by resonant tunneling of high-energy in GaAs-Gaj.xAlxAs quantum wells. //Phys.Rev.B v.33. - N. 10, pp. 7368-7370 (1986).

63. Glinskii G.F., Lakisov V.A., Dolmatov A.G., Kravchenko K.O. Multiband coupling and electronic structure of short-period (GaAs)N/(AlAs)N (001) superlattices// will be published.

64. Wang L.-W., ZungerA. Magnitude and size scaling of intervalley coulping in semiconductor alloys and superlattices // Phys. Rev. B. 1997. - V. 56. - No 19. - P. 12395-12403.

65. Landheer D., Liu H.C., Buchanan M., Stoner R. // Appl. Phys. Lett. 1989. - V. 54. -N. - pp.1784-1786.

66. Pulsford N.J., Nicholas R.J., Dawson P., Moore K.J., Duggan G., Foxon C.T.B. Г-Х mixing in the miniband structure of a GaAs/AlAs superlattice// Phys.Rev.B. 1989. -v.63. - N.20. - pp.2284-2287.

67. Fu Y., Willander M., Ivchenko E.L., Kiselev A.A. Valley mixing in GaAs/AlAs multilayer structures in the effective-mass method // Phys. Rev. B. 1993. - V. 47. -N.20. -pp.13498-13507.

68. Волков B.A., Тахтамиров Э.А. Обобщение метода эффективной массы для полупроводниковых гетероструктур и междолинные Г-Х переходы// Нанофотоника (Материалы совещания). Нижний Новгород: ИФМ РАН, 1999. - с.121-124.

69. Voliotis V., Grousson R., Lavallard P., Ivchenko E.L., Kiselev A.A., Planel R. Absorption coefficient in type-II GaAs/AlAs short-period superlattices// Phys. Rev. B. -1994. V.49. - N.4. - pp.2576-2584.

70. Fenigstein A., Finkman E., Bahir G., Schacham S. E. X-G indirect intersubband transitions in type II GaAs/AlAs superlattices// Appl.Phys.Lett. 1996. -v.69. - N.12. -pp.1758-1760.

71. Mendez E.E., Calleja E. and Wang W.L. Tunneling through indirect-gap semiconductor barrier// Phys.Rev.B. 1986. - v.34. - N. 18. - pp. 6026-6029.

72. Алешкин В.Я., Андронов A.A. Бесфононные и дипольные Г-Х-переходы электронов в гетероструктурах GaAs/AlAs с квантовыми ямами в продольном электрическом поле// ФТП. 2000. - т.34. - в.5. - с.595-601.

73. Feldmann J., Sattmann R., Goebel E.O., Kuhl J., Hebling J., Ploog K., Muralidharan R., Dawson P., Foxon C.T. Subpicosecond real-space charge transfer in type-II GaAs/AlAs superlattices//Phys.Rev.Lett. 1989. - v.62. -N.16. -pp. 1892-1895.

74. Nunnenkamp J., Reimann K., Kuhl J., Ploog K. Pressure-induced Г-Х electron-transfer rares in a (GaAs)15/(AlAs)5 superlattice// Phys.Rew.B. 1991. - v.44. - N. 15. -pp.8129-8137.

75. Ana M. de Paula, Weber G. Г to Xz electron transfer times in type II superlattices due to emission of confined phonons// APL. 1994. - v.65. - N.10. - pp.1281-1283.

76. Peter G., Goebel E„ Ruehle W.W., Nagle J., Ploog K. //Superlattices and Microstructures. 1989. - v.5. - N.2. - p.197.

77. Wilson B.A., Bonner C.E., Spitzer R.S., Fischer R., Dawson P., Moore K.J., Foxon C.T., t'Hooft G.W. //Phys.Rew.B. 1989,- v.40. -p.1825.

78. Knox W.H., Hirlimann C., Miller D.A.B., Shah J., Chemla D.S., Shank C.V. // Phys.Rew.Lett. 1986. - v.56. - p. 1191.

79. Ferreira R., Bastard G. // Phys.Rev.B. 1989. - v.40. - p.1074.

80. De Paula A.M., Maciel A.C., Weber G., Ryan J.F., Dawson P., Foxon C.T. Subpicosecond real-space charge transfer in GaAs/AlAs type II superlattices// Semicond. Sei. Technol. 1992. - v.7. -pp.B120-B123.

81. Алешкин В.Я., Андронов A.A. Гигантская инверсия населенности горячих электронов в гетероструктурах типа GaAs/AlAs с квантовыми ямами// Письма в ЖЭТФ. 1998. -т.68. - в.1. - с.73-77.

82. Aleshkin V.Ya., Andronov A.A., Demidov E.V. New type intraband quantum wellthlaser// 7 Int. Symp."Nanostructures:Physics and Technology". St.Petersburg. - 1999. pp .427-430.

83. Teissier R., Finley J. J., Skolnick M. S„ Cockburn J. W., Pelouard J.-L., Grey R., Hill G, Pate M. A., and Planel R. // Phys. Rev. В. 1996. - v.54. - p.R8329.

84. Vodopyanov K.L., Chazapis V., Phillips C.C., Sung В., and Harris J.S. Jr. Intersubband absorption saturation study of narrow III-V multiple quantum wells in the A,=2.8-9 pm spectral range// Semicond.Sci.Technol. 1997. - v.12. - pp.708-714.

85. Seilmeier A., Huebner H.J., Abstreiter G., Weimann G., and Schlapp W. Intersubband relaxation in GaAs-AlGaAs quantum well structures observed directlyby infrared bleaching technique// Phys.Rev.Lett. 1987. - v.59. - N.12. - pp. 1345-1348.

86. Beadie G., Rabinovich W. S., Katzer D. S., Goldenberg M. Inhomogeneous broadening of intersubband transitions in Ino.45Gao.55As/Alo.45Gao.55As multiple quantum wells//Phys. Rev. B. 1997. -V.55. -N. 15. - pp.9731-9739.

87. Dahinten Т., Ploedereder U., Seilmeier A., Vodopyanov K. L., Allakhverdiev K. R. and IbragimovZ. A. // IEEE J. Quant. Electron. 1993. - QE-29. - p.2245.

88. Schmidt S., Kaiser J., Seilmeier A. Inhomogeneous broadening of intersubband absorption bands of quantum well structures investigated by hole burning// Physica E. -2000. v.7. - N. 1 &2. - pp. 179-182.

89. Demtroeder W. Laser spectroscopy. Berlin.: Springer, 1988.

90. Liu H. C., SpringThorpe A. J. Optically pumped intersubband laser: Resonance positions and many-body effects// Phys. Rev. B. 2000. - v.61. - N. - p. 15629.

91. Seilmeier A., Ploedereder U., Weimann G. Temperature dependence of intersubband scattering in multiple quantum well structures// Semicond. Sci. Technol. 1994. - v.9. -pp.736-739.

92. Baier J., Bayanov I.M., Ploedereder U., Seilmeier A. Biexponential intersubband relaxation in n-modulation-doped quantum-well structures// Superlattices and Microstructures. 1996. - V.19. -N.l. -pp.9-16.

93. Lutgen S., Kaindl R. A., Woerner M., Elsaesser Т., Hase A., and Kunzel H. Nonlinear intersubband absorption of a hot quasi-two-dimensional electron plasma studied by femtosecond infrared spectroscopy// Phys.Rev.B. 1996 - v.54. - pp. R17343-R17346.

94. Feng J.N., Ozaki S., Park J.H., Kubo H., Могу N. and Hamaguchi C. Optical-phonon assisted tunneling in an asymmetric double-quantum-well structure// Phys.Stat.Sol. (b). -1997. v.204. - pp.412-415.

95. Takashi Asano, Susumu Noda, and Katsuhiro Tomoda Pump and probe measurement of intersubband relaxation time in short-wavelength intersubband transition// Appl. Phys. Lett. 1999. - v.74. -N.10. - pp. 1418-1420.