Динамика экситонных состояний в GaAs/AlGaAs квантовых ямах и сверхрешетках Литвиненко, Константин Леонидович

Введение к работе

Актуальность темы.

Оптика полупроводников стремительно развивается на протяжении последних лет. Обширные возможности для всех направлений оптической спектроскопии открыло создание сверхбыстрых перестраиваемых лазеров, когерентное излучение которых сейчас может быть получено практически в любой области оптического спектра. При этом особый интерес представляет разработка принципиально новых спектроскопических методов исследования, среди которых в первую очередь следует отметить методы нелинейной спектроскопии, такие как четырех-волновое смешивание, дифракция излучения на лазерно-индуцированных решетках и метод накачки и зондирования.

Кроме того, сегодня, благодаря широкому использованию метода молекулярно-лучевой эпитаксии, создание таких сложных полупроводниковых структур как квантовые ямы (КЯ) и сверхрешетки превратилось в привычный технологический процесс. Эффект квантового ограніяения размеров вещества приводит к необходимости пересмотра физики основных процессов взаимодействия, которые используются при описании оптических свойств таких структур. Так же как и в объемных полупроводниках эффект Кулоновского взаимодействия приводит к образованию связанных электрон-дырочных состояний - экситонов, которые определяют оптические свойства вблизи края фундаментального поглощения. Отличительной чертой экситонов в КЯ является значительное увеличение их энергии связи и силы осциллятора по сравнению с экситонами в объемных полупроводниках. Это позволяет наблюдать экситонные линии в КЯ даже при комнатной температуре. Особый интерес представляет изучение динамики экситонных состояний не только потому, что это позволяет ответить на ряд фундаментальных вопросов и определить предельное быстродействие приборов, основанных на квазидвумерных электрон-дырочных переходах, но и потому, что это дает новый оптический метод анализа качества полупрово днико вых наноструктур.

Динамика экситонных состояний может быть описана при помощи нескольких характерных параметров: времени жизни связанных состояний (Т,), времени фазовой релаксации (Т₂), времени внутризонной релаксации (Т₃), а также коэффициента диффузии (D).

Как будет показано в диссертации, совместное применение всех упомянутых выше методов нелинейной спектроскопии (в каждом из которых основную роль играют определенные характерные параметры) позволяет получить исчерпывающую информацию о физических процессах, имеющих место в исследуемой системе и о качестве используемых образцов.

Цель работы.

Целью работы является исследование влияния свободных носителей на динамику экситонных состояний в когерентном и некогерентном режимах при резонансном и зон-зонном возбуждении в GaAs/AlGaAs многослойных КЯ и сверхрешетках, а также изучение влияния шероховатостей границ раздела квантовая яма - барьер на характерные параметры экситонных состояний.

Научная новизна работы. Впервые:

1. В сверхрешетке зарегистрировано резкое изменение смещения энергетического положения экситонного резонанса из низкоэнергетической в высокоэнергетическую сторону в момент перекрытия электромагнитного излучения накачивающего и зондирующего лучей в случае зон-зонного возбуждения.

2. Показана возможность качественного наблюдения Раби осцилляции в GaAs/AlGaAs МКЯ при помощи методики накачки и зондирования в случае резонансного возбуждения.

3. С помощью статистических методов анализа экспериментальных результатов выделено парциальное влияние силы осциллятора и уширения на форму линии экситонного поглощения.

4. Одновременно исследованы основные процессы взаимодействия, вызывающие изменение параметров экситонного перехода в некогерентном режиме.

5. Получены различные значения времени жизни и коэффициента диффузии экситонных состояний, распространяющихся над и между островами шероховатостей поверхности границ раздела квантовая яма-барьер.

Практическая значимость.

6. Обоснована целесообразность использования метода анализа моментов для описания высококачественных спектров поглощения.

7. Определены основные физические причины, вызывающие изменение параметров экситонного перехода в некогерентном режиме.

8. Разработан нелинейный оптический метод анализа поверхности границ раздела квантовая яма - барьер в МКЯ.

Основные защищаемые положении.

9. Экспериментально измеренное время фазовой релаксации высокоэнергетических свободных электрон-дырочных пар составляет примерно 704-100 фсек.

10. Экспериментально оцененное значение плотности Моттовского перехода в GaAs/AlGaAs сверхрешетке по порядку величины составляет примерно 10¹²см"².

11. Уменьшение силы осциллятора, как в случае резонансного так и зон-зонного условий возбуждения, вызвано, главным образом, влиянием свободных электрон-дырочных пар и наблюдается только в течении первых 100 псек при времени жизни экситонных состояний 410 псек.

12. Плотность насыщения силы осциллятора экситонного перехода составляет при условии, когда только экситоны присутствуют в образце - 1-Ю¹² см"², а когда только свободные электрон-дырочные пары -2.5-10¹¹ см'².

13. Неоднородное уширение экситонных состояний вызвано рассеянием связанных частиц на шероховатостях границ раздела квантовая яма - барьер.

14. Размеры микрошероховатостей границ раздела квантовая яма -барьер, оцененные при помощи предложенной модели, составляют 80-90 А.

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований докладывались: на конференции "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994 г.); на Международных симпозиумах: "Nanostructures-95: Physics and Technology", "Nanostructures-96: Physics and Technology", "Nanostructures-97: Physics and Technology" (С.Петербург, 1995, 1996 и 1997 г.); на Международном Семинаре "Advances in mesoscopic physics

т.

and technology" (Черноголовка, 1994 г.); на Международной конференции по физике полупроводников "ICPS-23" (Германия, Берлин, 1996 г.); на XXXLX Юбилейной научной конференции Московского физико-технического института (Долгопрудный, 1996 г.); на Международной конференции "Optics of Exitons in Condensed Matter" (С.Петербург, 1997 г.)

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (81 наименование). Объем диссертации составляет/20 страниц, включая 30 рисунков и 1 таблицу.

Похожие диссертации на Динамика экситонных состояний в GaAs/AlGaAs квантовых ямах и сверхрешетках

Математическое моделирование и оценка нелинейной динамики состояния загрязнения экосистемы водного объектаЛяпина Анна Александровна

Прогнозирование динамики тепловлажностного состояния ограждающих конструкций жилых зданий Санкт-Петербурга и повышение их энергоэффективностиЛеонтьева Юлия Николаевна

Математическое моделирование динамики метастабильных состояний в конденсированных средах и неравновесных процессов плазмообразования в парах металловГусев, Игорь Викторович

Динамика развития предотказового состояния объектов эксплуатации воздушного транспорта и разработка рекомендаций по продлению сроков их работоспособностиНедельский Михаил Николаевич

Системный анализ и синтез динамики поведения вектора состояний организма человека при патологии кардиореспираторной системыАушева Фирдос Иссаевна

Системный анализ влияния фактического рациона питания на динамику поведения вектора состояния организма студентов северного вузаСорокун Ирина Владимировна

Системный анализ и синтез параметров аттракторов динамики поведения вектора состояний больных сахарным диабетом 2 типаКурзина Светлана Юрьевна

Разработка методов и средств комплексной диагностики и управления функциональным состоянием человека по фазам динамики деятельности Штотланд Татьяна Михайловна

Влияние триботехнического состояния колес и рельсов на динамику движения грузового тепловоза в режимах выбега и тягиГаличев Александр Геннадьевич

Численное решение задач динамики и напряженно-деформированного состояния опорного блока морской платформы при продольном спуске с плавучего транспортного средстваСавинов Владимир Николаевич