بخشی از مقاله
چکیده
در این گزارش تاثیر تغییرات ساختاري بر خواص اپتیکی نانوساختارهاي InGaNAs، با استفاده از طیف فتولومینسانس در دماهاي پایین مورد بررسی قرار گرفته است. مکانیسم بازترکیب نوري درنانوساختارها در دماهاي پایین اکسیتونی مقید می باشد که با طیف فوتولومینساس این نمونهها مطابقت دارد.
همچنین در مورد چاههاي کوانتومی چندگانه، افزایش بازده نوري و پهن شدگی طیف فوتولومینسانس نسبت به نمونه تکلایه و چاه کوانتومی یگانه، مورد بررسی قرار گرفته است که مستقیماَ به افزایش تعداد چاهها و وجود افت و خیزهاي آماري در فصل مشترك چاهها برمی گردد. همچنین تأثیر افزایش ایندیم بر شیفت قرمز انرژي کاملاً مشهود میباشد. با استفاده از افزایش مقدار ایندیم و چاه کوانتومی چندگانه می توانیم به طول موجهاي منطقه IR با بازده نوري بالا برسیم.
مقدمه:
نیمه رساناهاي InxGa1-xNyAs1-y امروزه به علت کاربردهاي زیادشان از جمله در ساخت دیودهاي لیزري با راندمان نوري بالا و نیز گسیل در محدوده طول موجهاي 1/3 - 1/55 میکرون، که در ارتباطات مخابراتی از طریق فیبرهاي نوري از اهمییت خاصی برخوردار است، مورد توجه زیادي قرار گرفته اند
از طرف دیگر به دلیل هماهنگی بین ثابت شبکه InGaNAs و زیر لایه GaAs و در نتیجه سهولت رشد این نیمه رسانا امکان ساخت لیزرهاي با کاواك عمودي - VCSEL - میسر میگردد
ساختار چاه کوانتومی به علت محدود شدن حاملها در دو بعد، رفتارهاي متفاوتی را از خود بروز میدهد که از آن جمله می توان به اثر محدودیت کوانتومی و اثر کوانتومی استارك اشاره کرد.
در این مقاله سعی بر این شده است که رفتار طیف فوتولومینسانس حاصل از ساختارهاي متفاوت کوانتومی را در جهت رسیدن به طول موج دلخواه بررسی کنیم.
نمونه ها و روش انجام آزمایش:
در مقاله فوق سه نمونه مختلف به صورت تک لایه، چاه کوانتومی یگانه و چاه کوانتومی چندگانه را مورد بررسی قرار داده ایم. نمونه اول شامل چاه کوانتومی یگانه InGaNAs به ضخامت 5/8 نانومتر داراي 0/376 درصد ایندیم و داراي 0/53 درصد نیتروژن است که بر روي زیرلایه GaAs رشد داده شده است، و یک لایه میانی GaAs بدون ناخالصی، به ضخامت حدودي 300 است که یک لایه پوششی GaAs با ضخامت 100 نانومتر نیز ناحیه فعال
چاه کوانتومی را محافظت میکند - نمونه . - S22 نمونه دوم چاه کوانتومی چندگانه با پنج چاه کوانتومی /GaAs با مقدار 30 درصد ایندیوم و 1/5 درصد نیتروژن می باشد.
ضخامت چاه و سد نیز در نمونه فوق به ترتیب 5/7 و19/3 نانومتر است که بر روي زیرلایه GaAs بدون آلایش، در جهت - 001 - رشد داده شده است و به روي زیر لایه، یک لایه میانی GaAs بدون ناخالصی، به ضخامت حدودي 50 نانومتر قرار کرفته است - نمونه . - M نمونه سوم به صورت تک لایه با ضخامت 100 نانومتر است که حاوي 5/8 درصد ایندیم و 0/7 درصد نیتروژن می باشد،نانو ساختار مورد نظر داراي زیر لایه Si نوع- n میباشد که لایه GaAs به ضخامت 80 نانومتر روي آن قرار گرفته است
براي مطالعه اپتیکی همه نمونه ها نیز تکنیک فتولومینسانس در دماي پایین - 2 K - و براي تحریک نمونه ها از طول موج 5145 A استفاده شده است.
بحث ونتایج
طیف فوتولومینسانس حاصل از سه ساختار کوانتومی در شکل - - 1 در دماي 2K و در شدت نوردهی40mW رسم شده است.
شکل . - 1 - شدت فوتولومینسانس حاصل از سه نمونه E1 وS22 و M در شدت 40mW و دماي 2K
با مطالعه طیف فوتولومینسانس متوجه یک جابجایی قله پیک انرژي در دو نمونه E1 و S22 می شویم، این شیفت قرمز انرژي براي S22 به افزایش %30 ایندیم در چاه کوانتومی مربوط می شود که اثر آن، بواسطه کاهش نیتروژن و اثر محدودیت کوانتومی قابل اغماض نمی باشد. در مورد شیفت قرمز انرژي براي نمونه M نیز می توانیم بیان کنیم که این حالت در نتیجه افزایش نیتروژن از 0/0053 به 0/015 می باشد که باعث کاهش باند گاف انرژي می
شود
پهناي طیف در نیمه ماکزیمم - FWHM - در این سه منحنی در جدول - - 1 ذکر گردیده است.
جدول - . - 1 مقادیر پهناي طیف در نیمه ماکزیمم براي سه ساختار مورد مطالعه
تغییر پهناي نیم ماکزیمم به تغییرات افت و خیز پتانسیل مرتبط میشود. در مورد نمونهE1 هم نوسانات پتانسیل داریم و هم الکترون و حفره می توانند در نوارهاي انرژي پخش شوند که این موضوع در شکل - - 2 نمایش داده شده است پس طبیعتاَ انتظار داریم پهن شدگی بیشتر باشد.
شکل - . - 2تغییر فاصله حاملها در تک لایه
مقدار FWHM در نمونه M نیز جالب توجه می باشد. ما در این نمونه پنج چاه کوانتمی داریم که در هرکدام از این چاهها مقدار افت و خیز پتانسیل متفاوت است در نتیجه انتظار افزایش پهناي طیف در نیمه ماکزیمم - FWHM - را داریم از دلایل دیگر مشاهده چنین پهن شدگی، جذب غیر یکنواخت نور لیزر در چاه هاي مختلف و نیز غیر یکسان بودن پهناي چاههاي مختلف یک نمونه بدلیل وجود افت و خیزهاي آماري در عرض هر یک از چاهها می باشد، بدیهی است که فوتولومینسانس دریافت شده، حاصل برهمنهی فوتولومینسانس هر کدام از چاهها می باشد.
از روي شکل - - 1 متوجه می شویم که منحنیهاي طیف فوتولومینسانس متقارن نیستند و در انرژيهاي پایین داراي شیب نمایی می باشد. این نامتقارنی بیان می کند که بازترکیبات در این ناحیه با بازترکیبات در ناحیه با انرژي بالا - که تک مقدارتر هستند - متفاوت است و این موضوع به جایگزیدگی حاملها مربوط می شود. براي دو نمونه چاه کوانتومی با در نظر گرفتن اینکه دماي اندازه گیري پایین است و اثر محدودیت کوانتومی نیز وجود دارد، الکترون وحفره می توانند قبل از بازترکیب یکدیگر را پیدا کنند و تشکیل اکسیتون بدهند پس گذار غالب گذار اکسیتونی میباشد که در سمت انرژیهاي کمتر به صورت گذار اکسیتونی مقید اتفاق می- افتد. همچنین در نمونه تکلایه و در دماهاي پایین نیز بازترکیب به صورت اکسیتونی میباشد که با افزایش دما، در نمونه تکلایه بازترکیب غالب از بازترکیب اکسیتونی تبدیل به بازترکیب الکترون-حفره آزاد میگردد زیرا انرژي پیوندي اکسیتون - 8 - meV کمتر از انرژي گرمایی حاملها میشود.
بررسی بازده نوري که مستقیما متناسب با میزان کل گسیل نوري خارج شده از نمونه یعنی سطح زیر منحنی فتولومینسانس است، مشخص میکند که بازده نوري در نمونه تک لایه نسبت به دو نمونه دیگر بالاتر است. در این نمونه مقدار ایندیم بسیار کم - 0/058 - میباشد پس مراکز بازترکیب غیرنوري در مقایسه با چاه کوانتومی یگانه - - SQW و چاه کوانتومی چند گانه - MQWs - بسیار کمتر می باشند. و در نمونه چاه کوانتومی چندگانه بازده نوري تقریباً پنج برابر - حدودا به تعداد چاهها - بازده نوري در نمونه چاه کوانتومی یگانه می باشد، کمتر بودن بازده در چاه کوانتومی چندگانه نسبت به پنج برابر چاه کوانتومی یگانه افزایش %1 نیتروژن و به تبع آن تولید مراکز غیر نوري میباشد.
در جدول - - 2 میزان کل گسیل نوري خارج شده از نمونه یعنی سطح زیر منحنی فتولومینسانس - بازده نوري - نمونه ها به طور نسبی مورد بررسی قرار گرفته است.
جدول - . - 2 میزان کل گسیل نوري هر یک از نمونه هاي SQW، Epilayer و MQWs که متناسب با سطح زیر منحنی فتولومینسانس آنها می باشد.
