Спектры возбуждения фотолюминесценции многослойных структур с квантовыми ямами на основе гетеропары AlGaAs/GaAs для фотоприемных устройств

Гетероструктуры c квантовыми ямами (КЯ) на основе AlGaAs/GaAs (GaAs – яма, AlxGa1-xAs –барьер) используются для создания матричных фотоприемных устройств (ФПУ) для спектральногодиапазона 8 – 12 мкм (Quantum Well Infrared Photodector, QWIP) [1]. Принцип работы QWIP ФПУоснован на межподзонных переходах электронов, локализованных на первом квантово-размерномуровне КЯ зоны проводимости (переходы с E1 на E2). Эти уровни определяют рабочий спектральныйдиапазон ФПУ и зависят от технологических параметров структуры. Для оптимизации работыфотодетекторов необходим точный контроль положения этих уровней, что требует развитиянеразрушающих методик спектроскопического анализа выращиваемых гетероструктур [2].В основе методики использовался метод низкотемпературного измерения спектров возбужденияфотолюминесценции (СВФ). Предварительный теоретический расчет структуры энергетическихуровней в КЯ осуществлялся методом численного решения уравнения Шредингера в одночастичномприближении. Многослойные гетероструктуры выращивались методом молекулярно-лучевойэпитаксии (МЛЭ). Спектры возбуждения фотолюминесценции, а также спектры фотолюминесценцииизмерялись в диапазоне температур от 5 до 80 К. Для контроля спектроскопических результатовизмерялись спектры фотопроводимости одноэлементных приемников с размерами 2х2 мм2.Основная идея метода СВФ состоит в последовательном измерении спектров фотолюминесценцииот источника возбуждения с различнымидлинами волн и регистрацией интенсивностиосновного пика излучения. В качествеперестраиваемого источника излученияиспользовалось излучение GaN светодиода,пропускаемое через монохроматор.Полуширина спектра излучения возбуждениясоставляла в среднем 1 нм, а шаг изменениямаксимума излучения – также 1 нм.Измерения спектров проводились дляобразцов с различным количеством КЯ (от 1до 10), толщин ям d (от 3 до 10 нм) исодержанием AlAs в барьере x от 20 до 30 %.На рисунке приведен измеренный спектрСВФ для структуры из 10 квантовых ям с d ≈7 нм и x ≈ 25 %. Стрелочками указанынаблюдаемые оптические переходы. Они формируются экситонными состояниями, соответствующимзона-зонным переходам в барьере, а также переходам между электронными уровнями (EX) идырочными уровнями (HHX – тяжелые дырки, LHX – легкие дырки). Установлено, что для КЯ суказанными диапазонами параметров энергия основного перехода (E1-HH1) варьируется в пределахот 1,53 до 1,65 эВ для T = 5 K, с увеличением температуры до 80 К энергии переходов изменяются впределах 5 мэВ.По результатам численных расчетов получено, что положение уровней LH1 и HH2 совпадает впределах 8 мэВ, это позволяет считать, что максимум спектральной характеристики ФПУ,определяемой как E2-E1, можно рассчитать из разницы энергий переходов E1-LH1 и E2-HH2 ссоответствующей поправкой. Из сравнения полученных результатов СВФ и фотопроводимостиустановлена корректность данного предположения, а точность определения рабочего переходафотодетектора составляет не более 150 нм.