Внутризонные инверсии населенности и поглощение излучения среднего инфракрасного диапазона в квантовых ямах на основе соединений AIIIBV

• Автор: Зерова, Вера Львовна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 153 с. : ил.

ГЛАВА I. Излучательные и бсзызлучательныс внутризонные Щ переходы электронов в квантовых ямах (обзор литературы)

1.1. Энергетический спектр и волновые функции электронов

в квантовых ямах на основе соединений AinBv

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 фоионов 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 внутризоннуго 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. Внутризонное поглощение света в туннельно-связанных
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
ф 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
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 фонолах
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
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 Заключение
Основные публикации автора
Цитированная литература
2.3. Влияние неравновесных оптических фононов на модуляцию
межподзонного поглощения света горячими электронами в квантовых ямах
Влияние неравновесных фононов на модуляцию межподзонного поглощения изучалось в резонансных селективно легированных КЯ GaAsZAlo.22Gao.78As. Экспериментально модуляция в этой структуре исследовалась в работе [10].
Структура содержит 150 КЯ шириной Ьцг= 6 нм, ширина барьеров Ьц = 14 нм. Средняя область барьеров размером б нм легирована кремнием, концентрация доноров ЛЪ = 5-1017см’3, поверхностная концентрация электронов в ямах равна 2-10псм'2 при Т— 300 К и 3-1011 см'2 при Г=300К. Легирование приводит к искажению потенциала структуры, профиль потенциала для одного периода схематически показан на рис. 2.5 а. КЯ содержит два уровня размерного квантования, причем верхний уровень расположен вблизи края КЯ. В отсутствие поля энергетическое расстояние между уровнями на 5 мэВ меньше энергии кванта излучения СОг-лазера. Экспериментально полученные в работе [10] равновесный спектр поглощения света и вольт-амперная характеристика (ВАХ) структуры, приведены на рис. 2.5 в,г, а данные по модуляции - на рис. 2.9.
Модуляция может возникать по двум причинам. Во первых, рост поглощения света может происходить за счет увеличения энергии межподзонного перехода (см. рис. 2.5 а,б) при компенсации зарядов примеси электронами, разогретыми продольным электрическим полем. Во вторых, увеличение поглощения света в сильном электрическом поле может быть связано с увеличением концентрации электронов из-за пробоя глубоких центров. Возникающие в продольном электрическом поле неравновесные фононы могут существенно влиять на величину модуляции поглощения.
Целью настоящего исследования было определение величины изменения энергетического расстояния между подзонами вследствие изменения пространственного заряда, формируемого электронами в области КЯ и положительно заряженными ионизованными донорами в барьерных областях, изучение влияния на этот процесс неравновесных оптических фононов, а также исследование влияния этого процесса на величину модуляции коэффициента внутризонного поглощения.
2.3.1. Изменение пространственного заряда при приложении электрического поля
При селективном легировании средней области барьеров происходит искажение потенциала структуры вследствие пространственного заряда. В области барьера появляется неглубокая потенциальная яма для электронов. В сильном продольном электрическом поле