Благодаря тому, что энергетическую структуру легированных сверхрешеток можно менять, появляется возможность управлять оптическими свойствами – управлять спектром и интенсивностью излучения. Спектр сверхрешетки может существенно отличаться от спектра объемного полупроводника. Сгенерированные в процессе поглощения ЭМИ пары электрон-дырка занимают соответственно низшие уровни зоны проводимости и верхние уровни валентной зоны. Рекомбинационные времена жизни в сверхрешетках огромны – 103с – и зависят экспоненциально как от параметров решетки, так и от интенсивности излучения. Это время превышает время жизни носителей в твердых телах и газах на несколько порядков. В виду того, что по мере освещения большинство носителей не релаксирует, а диффундирует к экстремумам зон, концентрация носителей тока возрастает со временем освещения. Благодаря этому увеличивается ширина эффективной энергетической щели (см. рисунок 2). В свою очередь, коэффициент поглощения зависит от ширины эффективной энергетической щели. Интересной является осцилляторная особенность коэффициента поглощения в зависимости от ширины эффективной энергетической щели при фиксированной частоте излучения. Если увеличивается ширина щели, то увеличивается и коэффициент поглощения. Однако имеет место и уменьшение коэффициента поглощения, если например, один из переходов становится запрещенным по энергии. Если у легированной сверхрешетки большой период и уровень легирования невелик, число минизон, участвующих в поглощении, также невелико. В этом случае для энергий фотона больше ширины запрещенной зоны немодулированного полупроводника коэффициент поглощения падает экспоненциально. В этом можно усмотреть сходство с эффектом Франца-Келдыша. Он состоит в смещении края полосы поглощения в сторону меньших частот во внешнем электромагнитном поле. При энергиях фотонов меньше ширины запрещенной зоны происходит поглощение излучения. В этом случае потенциальный барьер опускается за счет приложенного внешнего поля и поглощение может возрасти довольно существенно. Это происходит за счет кулоновского притяжения электрона и дырки. А при энергиях больше ширины запрещенной зоны возникают осцилляции поля, зависящие от величины внешнего поля и частоты света и затухающие по экспоненциальному закону.
Прямую спектроскопическую информацию об энергетической структуре легированных сверхрешеток дает неупругое рассеяние света. Наблюдались переходы между первыми, вторыми и третьими минизонами зоны проводимости.
Рекомбинация в легированных сверхрешетках (см. рисунок 4) происходит через непрямую в реальном пространстве запрещенную зону (см.(1) на рисунке 4а). Высокоэнергетичный край люминесценции соответствует разности энергий двух квазиуровней Ферми (см. рисунок 5). На частотах меньше пороговой люминесценция резко падает. При наличии оптического возбуждения возможен вклад в люминесценцию носителей заряда, расположенных по разные стороны от энергетической полосы «электронный-дырочный уровень Ферми» (см. (6) и (7) на рисунке 4а). В легированных сверхрешетках вклад таких процессов может быть больше, чем в обычных массивных полупроводниках. Обычно населенность уровней, отстоящих от квазиуровней Ферми более, чем на kT в соответствующем направлении для электронов и дырок, мала, и такие уровни называют квазиконтинуумом зоны проводимости и валентной зоны.
Вообще, исследование процессов оптического поглощения и излучения в сверхрешетках интересно со следующих позиций:
- Можно создать инверсию в широком энергетическом интервале при слабом возбуждении за счет большого рекомбинационного времени жизни.
- Абсолютное значение усиления (отрицательного поглощения) будет довольно большим и при частотах меньше пороговой. Это обусловлено процессами двухфотонного или двухступенчатого возбуждения. Поэтому в легированных сверхрешетках с высокими значениями примеси можно получить приемлемые значения оптического усиления и при энергиях фотона значительно меньше ширины запрещенной зоны.
- Перестраиваемость частоты излучения.
На этом описание оптических свойств сверхрешеток, как и цикл материалов о них, подошел к концу. В заключение, хочется отметить, что действие всех приборов, в которых используют сверхрешеточные структуры, основано на следующих основных принципах:
- квантовое ограничение носителей заряда и оптического излучения,
- пространственное разделение электронов и дырок от породивших их примесей,
- быстрый перенос носителей заряда через границу слоя,
- квантовомеханическое туннелирование и связанные с этим резонансные свойства волновых функций.
Основные приборы на сверхрешетках - оптоэлектронные (инжекционные лазеры и светодиоды, пассивные элементы, фотоприемники), приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением, транзисторы.
Список использованных источников
- Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
- Силин А. П. Полупроводниковые сверхрешетки, УФН, 1985, т. 147, с. 485
- Келдыш
