WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

3.4. Люминесценция при сильном возбуждении Рассмотрим изменения спектров люминесценции, полученных в режиме непрерывной регистрации излучения, по мере усиления импульсного возбуждения. Экситонная полоса e1hh1 в люминесценции нелегированной структуры 4-447 при T = 3 K уширяется при увеличении надбарьерной импульсной накачки. При уровне накачки I 5 · 103 Вт/см2 возникает новая полоса, которая при дальнейшем росте I сверхлинейно усиливается и смещается в сторону низких энергий, тогда как экситонная полоса ослабляется и полностью исчезает при I = 3 · 104 Вт/см2 (рис. 5, a). Новую полосу следует интерпретировать как излучение электронно-дырочной плазмы, сильный сдвиг полосы при росте I определяется перенормировкой энергий электронов и дырок в КЯ в условиях высокой концентрации фотоносителей.

Уровень возбуждения I = 3 · 104 Вт/см2 соответствует плотности потока фотонов 1016 см-2 за время лазерного импульса, равное 10 нс, т. е. в расчете на одну КЯ — Рис. 5. Спектры люминесценции нелегированной структуры более 1014 см-2. При радиусе экситона в КЯ aex = 10 нм 4-447 GaAs/GaAlAs при различных температурах и уровнях (a2 )-1 = 3 · 1011 см-2; если время жизни экситона ex возбуждения I. E и P — полосы излучения экситонов и составляет 1 нс, такой уровень возбуждения должен электронно-дырочной плазмы. a — I, 104 Вт/см2: 1 — 0.2, приводить к полному экранированию кулоновского вза- 2 —0.4, 3 —0.6, 4 —1.3, 5 —8.7; T = 3K. b — I, 104 Вт/см2:

1 — 0.01, 2 — 0.15, 3 —0.3, 4 —0.6, 5 —4; T = 100 K.

имодействия, что наблюдается экспериментально.

Аналогичная трансформация спектра излучения с ростом I наблюдается при 100 K, отличия заключаются в том, что значительно больше усиливается высокоэнергеувеличении уровня импульсного оптического возбуждетический хвост экситонной люминесценции и, кроме тония излучением азотного лазера и при росте темго, полосы экситонного и плазменного излучения наклапературы от 4 K до комнатной. В случае слабого дываются друг на друга. Сильное сужение спектра при возбуждения при повышении температуры появляется I > 104 Вт/см2 свидетельствует о полном экранировании слабый коротковолновый хвост излучения вследствие экситонного эффекта, и в этом случае люминесценция термического заселения возбужденных состояний. Рост КЯ целиком определяется излучением плазмы (рис. 5, b).

уровня импульсного оптического возбуждения привоПоявление и сверхлинейное усиление новой полосы дит к относительному усилению переходов из более нельзя приписать образованию заряженных экситонных комплексов вследствие того, что эта полоса наблюдается высоких состояний. При низких температурах энергии при высоких температурах. двух острых коротковолновых пиков удовлетворительно Рассмотрим более подробно изменения, происходя- согласуются с ожидаемыми энергиями излучательных щие в спектрах люминесценции ступенчатых КЯ при экситонных переходов e1hh3 и e2hh2 (рис. 6).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 590 В.Ф. Агекян, Ю.А. Степанов, И. Акаи, Т. Карасава, Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, А.Е. Жуков...

результатами работ [14–16]. В работе [14], где было получено соотношение между ex и зависящей от температуры спектральной шириной экситонной линии в КЯ, показано, что в силу закона сохранения момента при росте температуры уменьшается доля экситонов, способных участвовать в излучательной рекомбинации.

В работах [15,16] экспериментально наблюдался линейный температурный рост ex в двумерных структурах, причем в КЯ с шириной 6-10 нм нагревание от до 100 K увеличивало ex с 150 до 1500 пс [16]. Недавно было показано [17], что температурные свойства ex для КЯ InGaAs сильно зависят от ориентации подложки GaAs, при этом для ориентации 001 наблюдается значительное увеличение ex при нагревании образца.

Наиболее сильная трансформация при росте уровня возбуждения до 104 Вт/см2 и выше наблюдалась нами при высоких температурах в излучении КЯ In0.24Ga0.76As (структура 4-189). На рис. 7 представлены спектры люминесценции при сильном и слабом возбуждении в интервале температур T = 4-300 K. В случае Рис. 6. Спектры люминесценции структуры 4-сильного возбуждения проявляются экситон e2hh2 и GaAs/GaAlAs при T = 77 (a) и 160 K (b) и уровнях возновая полоса, которая при 4 K выглядит как плечо на буждения I = 102 (1) и 104 Вт/см2 (2). Спектры нормированы контуре излучения экситона e1hh1. С ростом темперана максимальную интенсивность.

туры эта полоса быстро усиливается и при T = 270 K доминирует в излучении, при этом экситонные переходы Характерной особенностью люминесценции исследо- e1hh1 и e2hh2 видны как слабые особенности по обе ванных КЯ является то, что чем выше температура стороны ее контура. Эта полоса, по-видимому, является образца, тем больше относительная интенсивность излучением электронно-дырочной плазмы, аналогичным излучения из возбужденных состояний при росте уровня излучению нелегированной структуры 4-447 с КЯ GaAs возбуждения. Увеличение вклада более высоких состоя- при сильном возбуждении (рис. 5). Следует отметить, ний можно объяснить насыщением основного перехода что в ступенчатых КЯ In0.24Ga0.76As максимум плазменe1hh1, т. е. рост температуры облегчает насыщение. ной полосы, доминирующей при высоких уровнях возЭто адекватно увеличению времени жизни экситона буждения, расположен с высокоэнергетической стороны e1hh1 ex с ростом температуры, что согласуется с от экситонного перехода e1hh1.

Рис. 7. Люминесценция структуры 4-189 InGaAs/GaAs/GaAlAs при различных температурах и уровнях оптического возбуждения.

a — T = 77 K, I = 10 Вт/см2 (сплошная линия) и 103 Вт/см2 (штриховая линия). b — T = 4K, I = 10 Вт/см2 (сплошная линия) и 103 Вт/см2 (штриховая линия). c — сильное возбуждение с I > 104 Вт/см2, T = 130 (1), 185 (2) и 300 K (3); штриховыми стрелками показаны экситонные переходы, сплошными стрелками — полоса излучения электронно-дырочной плазмы.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Люминесценция ступенчатых квантовых ям в структурах GaAs/GaAlAs и InGaAs/GaAs/GaAlAs блюдаются резкие пики, соответствующие возбуждению экситонов вышележащих электронных и дырочных подзон, в то время как в СВЛ локализованных экситонов и примесных состояний нелегированных и легированных структур эти пики выражены слабо или не наблюдаются вообще. В первом случае экситон релаксирует как целое, тогда как локализованные и примесные состояния образуются из независимо релаксировавших электронов и дырок. При сильном оптическом возбуждении структур GaAs/GaAlAs и InGaAs/GaAs/GaAlAs насыщение нижнего излучательного перехода e1hh1 легче достигается при высоких температурах, что свидетельствует о температурном увеличении времени жизни экситона e1hh1.

Начиная с уровня возбуждения 5 · 103 Вт/см2, в люминесценции структур появляется и сверхлинейно усилиРис. 8. Спектры фотолюминесценции структуры 4-вается полоса излучения электронно-дырочной плазмы, InGaAs/GaAs/GaAlAs для разных поляризаций (сплошные кривые) и спектр межзонного поглощения (штриховая). а экситонное излучение исчезает вследствие экраниT = 300 K. Указан угол между плоскостью поляризации света рования кулоновского взаимодействия. Излучательные и плоскостьюКЯ.

переходы e1hh1 и e2hh2, полученные в пикосекундном режиме возбуждения и регистрации, поляризованы в плоскости КЯ, что согласуется с теорией.

Спектры люминесценции легированных структур Работа выполнена при частичной поддержке гранта 4-443 и 4-445 ведут себя в зависимости от температуры E02-3.4-426 Министерства образования России.

и уровня возбуждения подобно спектрам нелегированной структуры 4-447, однако преобладание излучения плазмы при тех же уровнях возбуждения в них не Список литературы достигается.

На рис. 8 представлены спектры поляризованной [1] Y.Q. You, W. Staguhn, S. Takeyama, N. Miura, Y. Segawa, люминесценции структуры 4-447, возбужденной лазерY. Aoyagi, S. Namba. Phys. Rev. B, 43 (5), 4152 (1991).

ными импульсами (2.33 эВ) мощностью 300 Вт и [2] N. Miura..... Phys. St. Sol. (a), 263 (1), 178 (2000).

[3] S. Martini, A.A. Quivy, A. Tabata, J.R. Leite. J. Appl. Phys., длительностью 4 пс, а также спектр поглощения этой 90 (5), 2280 (2002).

структуры. Возбуждающий свет фокусировался в пятно [4] G. Bacquet, F. Hassen, N. Lauret, J. Barray, A. Marti Ceschlin, диаметром 300 мкм на поверхности структуры у края N. Grandjean, J. Masies. Superlat. Microstruct., 14, образца, и люминесценция регистрировалась со стороны (1993).

торца. При таком уровне возбуждения поверхностная [5] J. Martinez-Pastor et al. Supperlat. Microstruct., 14, концентрация неравновесных носителей заряда состав(1993).

ляет 1013-1014 см-2, так что носители заполняют не [6] C. Lopez, R. Mayoral, F. Meseguer, J.A. Porto, J. Sanchezтолько нижние, но и вышележащие подзоны. Излучение, Dehesa, M. Leroux, N. Grandjean, C. Deparis, J. Masies.

связанное с переходами электронов на уровни тяжеJ. Appl. Phys., 81, 3281 (1997).

лых дырок, должно быть поляризовано в плоскости [7] Q. Zhou, M.O. Manasreh, B.D. Weaver, M. Missous. Appl.

структуры [18], что и наблюдается экспериментально. Phys. Lett., 81 (18), 3374 (2002).

[8] H. Weman, L. Sirigu, K.F. Karisson, K. Leifer, A. Rudra, Поскольку в этом опыте люминесценция возбуждается E. Kapon. Appl. Phys. Lett., 81 (15), 2839 (2002).

пикосекундными импульсами и регистрируется лишь в [9] C. Constantin, E. Martinet, M.-A. Dupertius, F. Reinhardt, течение нескольких пс после окончания возбуждения, G. Biasiol, E. Kapon, O. Stier, M. Grundman, D. Bimberg.

спектры излучения являются неравновесными. В этих Phys. Rev. B, 61, 4488 (2000).

спектрах, во-первых, наблюдается сильная полоса пере[10] В.Я. Алешкин, Д.М. Гапонова, Д.Г. Ревин, Л.Е. Воробьев, ходов между возбужденными подзонами электронов и С.Н. Данилов, В.Ю. Паневин, Н.К. Федосов, Д.А. Фирсов, тяжелых дырок и, во-вторых, не проявляется описанное В.А. Шалыгин, А.Д. Андреев, А.Е. Жуков, Н.Н. Леденцов, выше излучение электронно-дырочной плазмы, которое В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин, В.А. Егоров, Ф. Фоссард, формируется сравнительно медленно.

Ф. Жульен, Е. Тове, Д. Пал, С.Р. Шмидт, А. Зейлмейер.

Известия РАН. Сер. физ., 67 (2), 196 (2003).

[11] U. Jahn, H.T. Grahn. Phys. St. Sol. (b), 234 (1), 443 (2002).

4. Заключение [12] G.R. Hayes, B. Deveaux. Phys. St. Sol. (a), 190 (3), (2002).

Таким образом, установлено, что в СВЛ свобод[13] Y.P. Varshni. Physica (Amsterdam), 34, 149 (1967).

ных экситонов e1hh1 в нелегированных структурах [14] J. Feldman, G. Peter, E.O. Gobel, P. Dawson, K. Moore, GaAs/GaAlAs со ступенчатыми КЯ при T 3K на- C. Foxson, R.J. Elliott. Phys. Rev. Lett., 59, 2337 (1987).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 592 В.Ф. Агекян, Ю.А. Степанов, И. Акаи, Т. Карасава, Л.Е. Воробьев, Д.А. Фирсов, А.Е. Жуков...

[15] L.C. Andreani, F. Tassone, F. Bassani. Sol. St. Commun., 77, 641 (1991).

[16] H. Jeong, I.-J. Lee, J.-C. Seo, M. Lee, D. Kim, S.-J. Park, S.-H. Park, U. Kim. Sol. St. Commun., 85, 111 (1993).

[17] B.L. Liu, B. Liu, Z.Y. Xu, W.K. Ge. J. Appl. Phys., 90 (10), 5111 (2002).

[18] P.S. Jr. Zory. Quantum well lasers (Boston, Academic Press, 1993).

Редактор Л.В. Шаронова Luminescence of stair-like quantum wells in GaAs/GaAlAs and InGaAs/GaAs/GaAlAs structures + + V.F. Agekyan, Yu.A. Stepanov, I. Akai, Karasava, = L.E. Vorob’ev, D.A. Firsov, A.E. Zhukov, = V.M. Ustinov, A. Zeilmeyer, S. Shmidt, C. Hanna, E. Zibik Saint-Petersburg State University, 198504 St. Petersburg, Russia + Osaka City University, Sugimoto, Osaka 558, Japan State Polytechnical University, 195251 St. Petersburg, Russia = Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia Institute of Physics, University of Bayreuth, Bayreuth 95440, Germany Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.