Ionized‐Impurity‐Mediated Free‐Carrier Absorption in n‐GaAs Slabs

Abstract

The theory of impurity-mediated free-carrier absorption in n-GaAs bulk material is extended to quasi-two-dimensional structures. The surfaces are treated within the classical infinite-barrier model and the electron-electron interaction within the random-phase approximation. Screening due to phonons is also considered. Using temperature-dependent Green's functions and starting from the Kubo formula a general expression is derived for the free-carrier absorption coefficient including both bulk and surface contributions. I n thick n-GaAs slabs coupled phonon-plasmon bulk excitations give rise to distinct peaks in the absorption spectrum. These structures are increasingly washed out with decreasing thickness. For comparison impurity-mediated free-carrier absorption spectra of non-interacting electrons have also been calculated. At and below the bulk plasmon frequency the absorption is reduced due to screening. The absorption increases on the other hand with decreasing sample thickness.Die Theorie der storstelleninduzierten freien Ladungstragerabsorption des n-GaAs Volumenmaterials wird auf quasi-zwei-dimensionale Strukturen erweitert. Die Oberflachen werden im klassischen Model1 der unendlich hohen Potentialbarrieren betrachtet und die Elektron-Elektron Wechselwirkung in RPA. Die Abschirmung durch Phononen wird ebenfalls beriicksichtigt. Auf der Grundlage temperaturabhangiger Greenscher Funktionen und der Kubo Formel wird ein allgemeiner Ausdruck fur die freie Ladungstragerabsorption abgeleitet, der sowohl Volumen-als auch Oberflachenbeitrage enthSilt. In dicken n-GaAs Schichten verursachen gekoppelte PhononPlasmon Volumenanregungen einzelne Peaks im Absorptionsspektrum. Mit abnehmender Dicke werden diese Strukturen zunehmend abgeschwicht. Zum Vergleich wird die storstelleninduzierte freie Ladungstriigerabsorption eines nicht wechselwirkenden Elektronensystems berechnet. Infolge der Abschirmung reduziert sich die Absorption bei und unterhalb der Plasmafrequenz. Die Absorption steigt hingegen mit abnehmender Schichtdicke an.