Динамика оптических возбуждений в низкоразмерных полупроводниковых гетероструктурах AIIIBV Давыдов, Валентин Геннадьевич

Введение к работе

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию динамики оптически возбуждённых экситонов в эпитаксиальных полупроводниковых A¹¹¹B^v гетероструктурах, содержащих квантовые ямы и квантовые точки, методами нелинейной и нестационарной лазерной спектроскопии.

Актуальность проблемы

Полупроводниковые A¹¹¹B^v гетероструктуры с квантовыми ямами или квантовыми точками, выращенные современными методами, прежде всего такими как молекулярно-пучковая эпитаксия, обладают уникальными оптическими свойствами, обусловленными, с одной стороны, высокой эффективностью взаимодействия локализованных экситонов со светом, а с другой стороны — возможностями целенаправленного управления этими свойствами как на этапе изготовления структуры путём варьирования условий роста, так и воздействуя на неё внешними физическими полями непосредственно в процессе изучения и использования. Эти структуры находят применения в самых разных оптических областях, начиная от сверхэкономичных лазеров и кончая когерентной (в том числе нелинейной) обработкой информации.

Классической методикой экспериментального исследования и рутинной ха- рактеризации полупроводниковых структур служит спектроскопия люминесценции, возбуждаемой нерезонансным светом с энергией кванта, превышающей ширину запрещённой зоны всех участвующих в создании гетероструктуры полупроводников. Такая методика проста в реализации, поскольку спектральное разделение возбуждающего и регистрируемого света позволяет без больших усилий достичь весьма высокой чувствительности, и достаточно универсальна, чтобы без существенных изменений быть применимой к самым различным гетероструктурам, и даже разным их классам. За простоту и универсальность приходится платить малой информативностью: энергия возбуждающих фотонов в процессе релаксации перераспределяется по множеству квантовых состояний системы, в том числе и таким, которые не представляют интереса для конретного исследования (например, мелким ловушкам в широкозонных барьерных слоях), а акт спонтанной люминесценции сопровождается потерей информации о когерентных процессах взаимодействия света со структурой.

Предложенные в данной работе специализированные экспериментальные методы исследования нескольких классов гетероструктур дают возможность извлечь детальную информацию о происходящих в них под действием резонансного светового возбуждения когерентных динамических процессах, такую как собственно уровни квантования энергии экситонов в низкоразмерных структурах, времена когерентности тех или иных экситонных состояний, резонансно взаимодействующих со светом, а также скорости (и механизмы) релаксации оптических возбуждений. На основе этой информации можно как непосредственно оценивать пригодность конкретной гетеро структуры для того или иного практического приложения, так и проверять адекватность теоретических представлений, в частности, базирующихся на понятиях квазичастиц, для описания взаимодействия сложной многочастичной системы — по сути, твёрдого тела — со светом в условиях, обеспечиваемых экспериментом.

Цель и задачи работы

Целью настоящей работы является доказательство возможности прямого измерения времени когерентности оптически возбуждённых экситонных состояний в эпитаксиальных полупроводниковых A¹¹¹B^v квантовых точках путём создания комплекса методов такового измрения, свободных от ограничений, накладываемых специфическими свойствами объекта исследования, а именно значительным неоднородным уширением и малой оптической плотностью.

Для достижения цели были последовательно поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику регистрации нестационарного фотоотклика полупроводниковых структур, чувствительность которой ограничена только доступным для измерений количеством света, и апробировать её на образцах структур, содержащих квантовые точки.

2. Детально исследовать последние стадии каскада релаксационных процессов, заканчивающихся актом люминесценции, в самоорганизованных InP квантовых точках, определить скорости и возможные механизмы этих процессов.

3. Применить результаты, полученные в ходе решения предыдущей задачи, к спектроскопии квантовых точек, созданных локальными напряжениями в InGaAs квантовой яме, и разработать конкретную реализацию методики измерения когерентности состояний во временной области.

Научная новизна и практическая ценность

Впервые были получены следующие результаты:

2. 1. Создана методика измерения малых (до 10~⁷ при времени измерения 1 с) вариаций коэффициента отражения образцов непрозрачных полупроводниковых A¹¹¹B^v гетероструктур под действием внешних полей (свет, электрическое поле) с детальным разрешением по времени и/или по спектру.

   2. В образцах с толстыми (порядка 100 нм) квантовыми ямами GaAs/GaAlAs достаточно высокого качества обнаружена и исследована регулярная спектральная структура, простирающаяся на сотни миллиэлектронвольт вглубь полосы межзонного поглощения. Сделан вывод о том, что указанная структура есть наблюдаемое проявление квантования движения квазичастиц (эк- ситонов), ограниченного стенками ямы.

   3. Сформулировано положение о важности учёта влияния электрических полей, как встроенных, так и внешних, на спектр и динамику оптических возбуждений в гетероструктурах, содержащих самоорганизованные InP квантовые точки.

   4. Получены систематические данные о спектральных и временных характеристиках люминесценции неоднородно уширенного ансамбля самоорганизованных InP квантовых точек в условиях квазирезонансного возбуждения, исключающих перенос оптического возбуждения за пределами точки.

   5. Исследовано влияние электрического поля на скорость безызлучательно- го распада оптических возбуждений в этих системах. Экспериментально подтверждено, что в зависимости от величины поля эта скорость меняется в весьма широких пределах, в которых безызлучательный распад может конкурировать как с медленными (излучательная рекомбинация), так и с быстрыми (релаксация с участием оптического фонона) процессами эволюции оптического возбуждения в квантовой точке.

   6. Установлены условия, при которых такая конкуренция приводит к проявлению спектра времён релаксации в виде спектра интенсивности люминесценции неоднородно уширенного ансамбля. Характерные особенности этх спектров отождествлены с особенностями фононного спектра кристалла InP.

   7. Доказано, что в отсутствии эффективного тушения люминесценции процессы электрон-фононной релаксации в самоорганизованных InP квантовых точках происходят быстрее, чем время излучательной рекомбинации, независимо от того, какие фононные ветви участвуют в релаксации. Иными словами, доказано отсутствие эффекта фононного узкого горла в этих системах.

   8. Исследованы спектральные и временные характеристики люминесценции неоднородно уширенного ансамбля квантовых точек, образованных локальными наряжениями в InGaAs квантовой яме, в условиях квазирезонансного возбуждения. Обнаружено наличие существенных безызлучательных потерь в этих системах. Продемонстрирован эффективный естественный механизм спектральной селекции люминесценции, основанный на разности скоростей релаксации с участием одного оптического фонона и без такового.

   9. Разработана оригинальная методика исследования когерентности состояний в квантовых точках, образованных локальными наряжениями в InGaAs квантовой яме, базирующаяся на возбуждении образца парами лазерных импульсов с контролируемыми временными и фазовыми соотношениями между импульсами в паре и спектрально-селективной регистрации его люминесценции. С помощью этой методики произведено измерение времени когерентности для разных участков неоднородно уширенного ансамбля.

   Результаты работы применимы в различных областях спектроскопии полупроводниковых гетероструктур. Разработанные экспериментальные методики используются (в том числе и в усовершенствованном виде) при исследовании различных полупроводниковых систем. Измеренные в работе численные параметры (времена когерентности, скорости релаксации) используются в обзорах, посвящённых исследованиям механизмов релаксации в квантовых точках, а также для проверки теоретических представлений об этих механизмах. Важность учёта влияния встроенного электрического поля упоминается в большом количестве работ со ссылкой на настоящее исследование. Данные характеризации образцов использованы в других работах, исследующих эти же образцы.

   Защищаемые научные положения

   2. 9. 1. Размерное квантование энергетического спектра экситонных возбуждений в полупроводниковых структурах GaAs/GaAlAs с квантовыми ямами шириной сотни нанометров проявляется и может быть измерено с помощью высокочувствительных модуляционных методик в широком спектральном диапазоне от 1.5 до 2 эВ.

         2. Приложение внешнего электрического поля к структуре, содержащей слой самоорганизованных InP или квантовых точек, позволяет регулировать скорость без ызлучательного распада экситона в широких пределах и проводить сравнительное исследование скоростей релаксационных процессов в стационарных условиях.

         3. Характерные времена фононной релаксации оптического возбуждения в самоорганизованных InP квантовых точках существенно короче излу- чательного времени жизни экситона. Эффект фононного узкого горла в этих системах отсутствует.

         4. Наличие безызлучательных потерь в квантовых точках, сформированных локальными напряжениями в InGaAs квантовых ямах, приводит к естественной спектральной селекции люминесценции, основанной на существенно разной скорости релаксационных процессов с участием разных фононных ветвей. Такая селекция служит основой для исследования когерентности состояний, собственное свечение которых слишком слабо на фоне возбуждающего света.

         5. Разработанная оригинальная методика импульсно-интерферометриче- ского возбуждения когерентных состояний с последующей спектральной селекцией люминесценции позволяет извлечь информацию о временах когерентности и скоростях релаксации непосредственно из временных измерений.

         Апробация работы

         Результаты работы докладывались автором на следующих международных конференциях:

         2. 9. 5. 1. 6th International Symposium "Nanostructures: Physics and TechnologyⁿSt. Petersburg, Russia, June 22-26, 1998.

                  2. The 24th International Conference on the Physics of SemiconductorsAugust 2-7, 1998, Jerusalem, Israel.

                  3. 7th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (NAN099). St. Petersburg, Russia, June 14-18, 1999.

                  4. 8th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (NAN02000) St.Petersburg, Russia, June 19-23, 2000.

                  5. 2000 International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter (EXCON2000), Osaka, Japan, August 21-24, 2000.

                  6. 25th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS25). Osaka, Japan, September 17-22, 2000.

                  7. 19th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (NAN02011). Ekaterinburg, Russia, June 20-25, 2011.

                  Кроме того, работа обсуждалась на семинарах в Masumoto Single Quantum Dot Project, в Санкт-Петербургском государственном университете, в Санкт- Петрбургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, в Физико-техничнском институте им. А. Ф. Иоффе.

                  Публикации

                  Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях в рецензируемых журналах, список которых приведён в конце.

                  Структура и объем работы

                  Диссертация состоит из Введения, трёх глав, Заключения и списка цитированной литературы из 83 наименований, содержит 151 страницу текста, включая 34 рисунка.

                  Похожие диссертации на Динамика оптических возбуждений в низкоразмерных полупроводниковых гетероструктурах AIIIBV

                  

                  Гетероструктуры на основе висмутсодержащих твердых растворов соединений А3В5, полученные методом зонной перекристаллизации градиентом температурыЛунина Марина Леонидовна

                  

                  Динамика решетки гетероструктур на основе феррита висмута и титаната бария-стронцияКхабири Гомаа Махмуд Абдэль Хамид

                  

                  Создание и исследование высокоэффективных быстродействующих фотодиодов для средней ик-области спектра (2-5 мкм) на основе узкозонных гетероструктур А3В5Коновалов Глеб Георгиевич

                  СУБСТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ А3В5Середин, Павел Владимирович

                  

                  Разработка и исследование элементной базы на гетероструктурах на основе соединений А3В5 для СВЧ-модулейЮщенко, Алексей Юрьевич

                  

                  Исследования деформированного состояния полупроводниковых гетероструктур на основе соединений А3В5 с помощью электронного зондаУманский, Владимир Евгеньевич

                  

                  Особенности электронной и спиновой динамики в граничном слое гетероструктуры AlGaAs/GaAsИванин, Константин Валерьевич

                  

                  Динамика спектроскопических переходов в квантовых точках, встроенных в полупроводниковые гетероструктурыРухленко Иван Дмитриевич

                  

                  Улучшение параметров излучательной рекомбинации инжекционных лазеров на основе гетероструктур с активной областью квазинулевой размерности : В системах А3В5 и А2В6Копчатов Владимир Ильич

                  

                  Исследование радиационной деградации и оценка радиационной стойкости светодиодов на основе гомо- и гетероструктур первого и второго поколения на базе трех-четырехкомпонентных твердых растворов А3В5Селезнев Дмитрий Владимирович