3.5.4. Эффект электропоглощения в квантовых ямах

Недавно был описан второй тип электропоглощения, намного более сильный, чем эффект Франца — Келдыша [32]. Этот эффект возникает в так называемых квантовых ямах или сверхрешеточных структурах, и, как представляется, такие структуры могут быть интегрированы с ПЗС.

Квантовая яма представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника, размещенного между двумя слоями широкозонного полупроводника. В наиболее изученных структурах этого типа используются комбинации и эВ для Для данного гетероперехода энергетические зоны имеют «двустороннюю» модуляцию, т. е. запрещенная зона в GaAs зависит от энергии аналогично тому, как это происходит для AlGai-As (рис. 3.25). Таким образом, края обеих зон — зоны проводимости и валентной зоны образуют прямоугольные ямы, которые могут удерживать электроны и дырки. Такое удержание заряда приводит к ряду необычных новых явлений, когда ширина ямы составляет около 20 нм или менее. Представляющее здесь интерес явление касается оптического экситонного поглощения в электрических полях.

Экситоны — это связанные электрон-дырочные пары, несколько напоминающие атом водорода. Энергия фотонов, необходимая для создания экситона, составляет меньшую величину (на величину его энергии связи), чем необходимо, чтобы разорвать связанный электрон валентной зоны на свободный электрон и дырку. Их образование будет соответственно, наблюдаться как пик поглощения на длине волны немного большей, чем основной край внутризонного поглощения. При комнатной температуре в объемном GaAs пик экситонного поглощения едва различим в основном из-за низкой энергии связи экситонов делающей их очень чувствительным к термоионизации. Однако при удержании экситонов в тонких квантовых ямах энергия их связи существенно возрастает для ямы шириной в 10,0 нм), и это значительно увеличивает резонансное поглощение.

Оптическое поглощение, связанное с экситонами и другими эффектами в квантовых ямах, обычно исследуется в структурах, состоящих из большого числа ям, отделенных друг от друга слоями с большей шириной запрещенной зоны и имеющих достаточную толщину, чтобы предотвратить взаимодействие носителей в соседних ямах. На рис. 3.26 изображено устройство, включающее 60 квантовых ям, состоящих из слоев GaAs толщиной в 14,0 нм с чередующимися со слоями толщиной 16,0 нм [11]. Эта нелегированная квантоворазмерная структура, состоящая из большого числа квантовых ям, сверху и снизу покрыта слоями и -легированного AlGaAs, что позволяет прикладывать поле поперек всего блока за счет подачи

Рис. 3.24. Влияние эффекта выбеливания на динамический диапазон ПМС на основе ПЗС.

Рис. 3.25. Энергетическая зонная диаграмма квантовых ям, образованных слоем расположенных между слоями

Рис. 3.26. Схема измерений коэффициентов электропоглощения квантоворазмерных структур.

на легированные слои обратной по знаку разности потенциалов. (Как объяснено ниже, дополнительные верхние слои включаются в структуру для использования в качестве канала ПЗС.) Тонкие титановые слои наносились сверху на образец, чтобы воспроизвести затвор ПЗС. Полупроводниковые слои были выращены методом молекулярной лучевой эпитаксии на подложке из GaAs. Поскольку GaAs является прозрачным на длине волны, представляющей интерес, подложку удаляли методом селективного травления и оставшаяся структура прикреплялась к стеклянной пластинке чистой эпоксидной смолой.

На рис. 3.27 показаны данные по оптическому поглощению указанной структуры [11]. Два выделяющихся пика наблюдаются на длинах волн 850 и 854 нм и связаны соответственно с экситонами, включающими тяжелые дырки и легкие дырки. В объемном GaAs может наблюдаться единственный вид экси-тона, но в квантовой яме повышена степень вырождения валентной зоны и возникают различные энергетические дырочные подзоны. Когда к квантоворазмерной структуре в поперечном направлении приложено напряжение, экситонные пики смещаются в сторону больших длин волн, но остаются хорошо разрешимыми. Из данных на рис. 3.27 видно, что пропускание света на длине волны экситонов, содержащих тяжелые дырки при нулевом поле, более чем удваивается при подаче 8 В. Это предполагает изменение коэффициента поглощения на величину много большую, чем достижимо при эффекте электропоглощения в объеме при таких же напряженностях полей. Такие сильные эффекты также не исключены и для систем Аналогичные эффекты экситонного электропоглощения недавно наблюдались в квантоворазмерных структурах на основе InGaAs/lnAlAs в диапазоне длин волн от 1100 до 1600 нм [31], используемом в волоконно-оптических линиях связи.

Надежды на объединение модулятора на квантоворазмерных структурах с ПЗС выглядят вполне обещающими. Фактически недавно была продемонстрирована успешно работавшая ПЗС, подложка которой включала квантоворазмерную структуру [12]. На рис. 3,28 показан разрез такого устройства. Уникальная особенность ПЗС — использование одиночной квантовой ямы для создания канала. Удержание носителей в тонком слое уменьшает вероятность захвата на глубокие ловушки, что представляет общую проблему для ПЗС на основе GaAs и AlGaAs. Хотя диапазон изменений канального потенциала в первом устройстве составлял менее 1 В и, следовательно, не мог быть использован для наблюдения модуляции, устройство продемонстрировало жизненность концепции интеграции модуляторов на квантоворазмерных структурах и ПЗС на одной подложке.

Хотя экситонное электропоглощение создает впечатляющие перспективы, важные вопросы остаются пока без ответа. Один вопрос относится к тому факту, что в ПЗС-структуре на рис. 3.28 электрические поля не будут полностью направлены по нормали к плоскости квантоворазмерной структуры из-за различия напряжений на затворах. Если боковые компоненты поля Е превышают 104 В/см, экситон претерпевает ионизацию полем и резонансное поглощение исчезает [7]. Таким образом, потребуется тщательно подбирать распределение полей в ПЗС, чтобы обеспечить направление электрического поля по нормали к слоям квантоворазмерной структуры, что совпадает с направлением распространения падающего света. Другой интересный

(кликните для просмотра скана)

вопрос относится к эффектам выбеливания, ожидаемым для данного устройства. Экситоны быстро ионизуются в свободные носители, которые, если они могут туннелировать или совершать надбарьерные прохождения через барьеры AlGaAs, будут уходить из квантоворазмерной структуры, что вызовет выбеливание. В описанных до настоящего времени квантоворазмерных структурах измерения фототока показывают, что свободные носители, в самом деле, могут «убегать», из квантовых ям. Вопрос о том, действительно ли данная структура может быть усовершенствована, чтобы обеспечить рекомбинацию носителей в квантоворазмерных структурах, в настоящее время является открытым и находится в стадии исследований.