Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 08_уровни в GaAs КЯ

Энергия оптического перехода определяется таким образом шириной запрещенной зоны узкозонного материала (материала ямы) и энергиями размерного квантования электронов и дырок:

Eopt = EG1 + En + HHm

или

Eopt = EG1 + En + LHm

При ширине квантовой ямы, стремящейся к бесконечности (L →∞)

Eopt → EG1

стремится к ширине запрещенной зоны материала ямы

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 11

При ширине квантовой ямы, стремящейся к нулю (L →0)

Eopt → EG2

стремится к ширине запрещенной зоны материала барьеров

Вероятность оптического перехода пропорциональна перекрытию волновых функций соответствующих переходов. Следовательно, наиболее вероятны переходы с уровней одинаковой четности (E1-HH1, E1-HH3, E2-HH2 …)

Переходы с уровней разной четности (например, E1-HH2) характеризуются существенно меньшим перекрытием и называются запрещенными в первом порядке.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 12

Наименьшей энергией среди возможных оптических переходов обладает переход E1-HH1 (иногда E1-LH1, если зона дырок модифицирована упругим напряжением):

Eoptmin = EG1 + E1+ HH1

Именно эта энергия представляет наибольший интерес, поскольку основные уровни главным образом заселены при типичных температурах

(4-300К)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 13

Well width, A

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 14

Видно, что в режиме широкой ямы энергия оптического перехода практически не зависит от высоты барьеров (мольной доли AlAs) и определяется только шириной ямы.

Это позволяет извлекать толщину прослоек узкозонного материала с помощью оптических методов.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 15

Пример фотолюминесценции тестовой структуры

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 16

В заключение рассмотрим неидеальность квантовой ямы и ее влияние на зонную структуру.

1.Неоднородность химического состава материала барьеров

2.Неоднородность химического состава материала ямы

3.Неоднородность ширины квантовой ямы в латеральном направлении (шероховатость гетероинтерфейсов).

Первые два фактора отсутствуют в случае бинарных соединений.

Могут быть весьма сильны, если твердый раствор имеет тенденцию к кластеризации (распаду).

Например InAlAs может распадаться на In-обогащенную и In-обедненную фазы.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 17

Фактор шероховатости присутствует почти всегда.

Толщина слоев должна быть кратна величине монослоя (2.83A для GaAs), что реально мало осуществимо при эпитаксиальном росте. Кроме того, по мере роста имеет место накопление шероховатости (например более выражено для AlGaAs по сравнению с GaAs).

Идеальная квантовая яма

направление

роста

AlGaAs

GaAs

AlGaAs

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 18

Эпитаксиальная квантовая яма

Неоднородность ширины ямы по поверхности приводит к уширению оптического спектра на величину:

∆Eopt ≈ dEdLopt ×1ML

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 19

Максимальное уширение будет иметь место при такой ширине ямы, которая отвечает наибольшей чувствительности энергии оптического перехода к ширине ямы (при переходе к режиму узкой ямы).

Well width, A

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 8, стр. 20