WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 6 Сверхизлучение в квантовых гетероструктурах ¶ © А.И. Климовская, Ю.А. Дрига, Е.Г. Гуле, О.А. Пикарук Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 25 марта 2002 г. Принята к печати 28 октября 2002 г.) В квантовых гетероструктурах GaAs / InxGa1-x As / GaAs исследованы изменение формы спектра и зависимости интенсивности и времени релаксации сверхизлучения от плотности мощности возбуждения в диапазоне 1 · 10-3 - 9 · 106 Вт / см2. Впервые показано влияние заполнения квантовой ямы на все параметры спектра сверхизлучения.

1. Введение же неизменность формы спектра сверхизлучения при изменении мощности накачки на 3 порядка, а оценки Механизм сверхизлучения был предложен в 1954 году числа диполей N по разным данным эксперимента не Дике [1] и детально исследован теоретически и экспери- согласовывались друг с другом.

ментально для газовых сред и объема твердных тел [2,3].

Цель настоящей работы — выяснить природу необычСуть явления состоит в том, что в среде с высокой ного проявления сверхизлучения в квантовых гетероплотностью возбужденных атомов — диполей возможна структурах и причины описанных выше противоречий.

их взаимная фазировка электромагнитным полем соб- В качестве объекта исследований были выбраны гественного излучения. Условия, необходимые для фази- тероструктуры с одиночной упруго-напряженной кванровки, — это малые расстояния (l) между излучающими товой ямой. Это позволяло рассчитать энергетическую диполями по сравнению с длиной волны излучения (), структуру ямы с хорошей точностью и снизить темп но достаточно большие, чтобы диполь-дипольное взаи- рассеяния, ограничивающий интенсивность сверхлюмимодействие было пренебрежительно малым. Кроме того, несценции.

время фазировки должно быть значительно меньше Для обеспечения широкого диапазона изменения спонтанной релаксации инверсного состояния и времени плотности возбуждающей мощности применялась оптидеполяризации в результате рассеяния. При выполне- ческая накачка. В зависимости от мощности возбуждении этих условий в возбужденной среде формируется ния были исследованы основные параметры сверхизлумакродиполь, а интенсивность излучения лавинообразно чения: форма спектра, интенсивность и время сверхизнарастает. При этом характерное время сверхизлучения лучения.

(N) обратно пропорционально числу диполей (N) в ма- В работе показано, что форма спектра, интенсивность кродиполе (N 1/N), а интенсивность излучения (I) и время релаксации изменяются в соответствии с теорипропорциональна квадрату числа сфазированных дипо- ей Дике при изменении плотности мощности накачки лей (I N/N N2).

до значений, соответствующих полному заполнению В последние годы резко возрос интерес к иссле- квантовой ямы возбужденными электронно-дырочными дованию сверхизлучения в квантовых гетерострукту- парами. Дальнейший рост мощности приводит к „старах [4–10]. Это обусловлено тем, что в гетероструктурах билизации“ формы спектра, значительному уменьшению легче, чем в газах и объеме твердых тел, обеспечить темпа роста интенсивности излучения и к постоянному необходимую плотность возбужденных состояний и сни- времени релаксации N. Таким образом, особенности зить вклад процессов рассеяния. Эти исследования по- проявления сверхизлучения в квантовых гетероструктуказали, что существует реальная возможность создания рах, на которые обратили внимание авторы работ [6,8], импульсных источников электромагнитного излучения связаны с квазидискретностью энергетического спектра предельно малой длительности. Длительность импульса и конечностью числа состояний квантовых объектов.

может быть меньше периода электромагнитных колебаний излучения, для оптического диапазона — порядка 2. Методика эксперимента единиц фемтосекунд.

Однако при интерпретации результатов исследования Исследования проводились на квантовых слоях сверхизлучения в квантовых гетероструктурах возник InxGa1-x As, встроенных в матрицу GaAs. Структуры ряд проблем, которые не решались в рамках обычных были выращены по технологии МОС-гидридной эпипредставлений [1]. Одной из таких проблем явилась таксии (газофазной эпитаксии из металл-органических невозможность объяснения независимости [6] или даже соединений) при атмосферном давлении. Толщина кваннарастания [8] времени сверхизлучения с увеличением тового слоя и содержание In выбирались такими, чтобы мощности накачки, поскольку N, согласно [1], обратквантовый слой был упруго напряжен и в нем не вознино пропорционально N. Необъяснимой оказалась таккали дислокации несоответствия, связанные с различием ¶ E-mail: allaK@isp.kiev.ua постоянных решетки квантового слоя и матрицы.

Сверхизлучение в квантовых гетероструктурах В качестве источников возбуждения использовались гелий-неоновый лазер непрерывного действия ЛГИ-с длиной волны генерации 632.8 нм, мощностью излучения 1.7 мВт и импульсный азотный лазер ЛГИ-с длиной волны генерации 337.1 нм, мощностью излучения в импульсе 1.5 кВт. Изменение интенсивности возбуждения осуществлялось применением градуированных нейтральных фильтров и фокусировкой лазерного луча.

Измерения спектральных зависимостей излучения проводились на модифицированном оптическом спектрометре КСВУ-23. Во избежание искажений формы спектра, возникающих, например, при волноводном распространении света, исследовалось излучение с поверхности образца. Температура исследований была T 100 K.

3. Экспериментальные результаты Мощность оптической накачки (Pexc) изменялась в пределах от 1 · 10-3 до 9·106 Вт / см2. Это позволило выявить основные особенности проявления сверхизлучения в квантовых гетероструктурах. Исследовались в зависимости от уровня накачки: 1) видоизменение формы спектра излучения IPL(E), 2) изменение интегральной Рис. 2. Спектры фотолюминесценции гетероструктуры интенсивности излучения JPL и 3) изменение времени GaAs / In0.16Ga0.84As / GaAs для разных плотностей мощности релаксации сверхизлучения N.

накачки Pexc, нормированных на максимальную мощность Pmax = 9 · 106 Вт / см2. Pexc/Pmax: 1 —3.3 · 10-6, 2 —3.5 · 10-4, exc exc 3 —2.8 · 10-3, 4 —5.7 · 10-3, 5 —8 · 10-3, 6 —1.8 · 10-1, 3.1. Форма спектров 7 —3.5 · 10-1, 8 —2.5 · 10-1, 9 —7.1 · 10-1, 10 —1.

На рис. 1 в полулогарифмическом масштабе показаны экспериментальные спектры люминесценции из квантовой ямы для низкого и высокого уровней возбуждения.

крыло полосы хорошо описывается законом, харакНа том же рисунке сплошными кривыми даны расчетные спектры излучения из квантовой ямы, характерные для терным для сверхлюминесценции, для интенсивностей, сверхлюминесценции Дике [6]: изменяющихся в пределах 3 порядков. В то же время, чем больше уровень возбуждения, тем сильнее отклоIQW sech {22N(E - Emax)/h}, (1) нения от этой закономерности на высокоэнергетическом крыле спектра, хотя по-прежнему сверхизлучение прегде Emax — энергия максимума. Из рисунка видно, что обладает.

спектры несимметричны, при этом низкоэнергетическое На рис. 2 показаны спектры фотолюминесценции IPL(E), приведенные к интенсивности в максимуме, для различных уровней возбуждения. Из приведенных данных видно, что по мере увеличения мощности накачки Pexc вначале происходит уширение полосы люминесценции с максимумом при 1.35 эВ, затем при Pexc 106 Вт / см2 спектральная форма этой полосы принимает окончательный вид и не зависит от интенсивности накачки. С этого момента появляется добавочная полоса с энергией максимума 1.504 эВ, свидетельствующая о том, что квантовая яма практически заполнена и избыточные электронно-дырочные пары релаксируют в матрице.

Таким образом, из приведенных данных видно, что Рис. 1. Спектры фотолюминесценции квантовой гетерострукпри всех уровнях накачки в спектре фотолюминесцентуры GaAs / In0.16Ga0.84As / GaAs для низкой и высокой плотции преобладает сверхизлучение Дике и стабилизация ности мощности накачки Pexc, Вт / см2: 1 —0.1, 2 —9 · 106.

Сплошные линии — расчет согласно (1). формы спектра связана с заполнением квантовой ямы.

5 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 708 А.И. Климовская, Ю.А. Дрига, Е.Г. Гуле, О.А. Пикарук 3.2. Интенсивность излучения На рис. 3 представлены зависимости от плотности мощности накачки интегральных интенсивностей люминесценции гетероструктуры, включая интенсивность люминесценции из GaAs-матрицы, JPL (кривая 1) и люминесценции из квантовой ямы JQW (кривая 2). В области изменения Pexc до значений 106 Вт / см2 (на рисунке показано стрелкой) обе зависимости совпадают. При очень низких уровнях накачки (рис. 3, b) наблюдается зависимость вида JQW P2. В области больших уровexc ней возбуждения наблюдается сублинейная зависимость JQW P0.5. Переход к сублинейной зависимости сопроexc вождается замедлением темпа изменений формы спектра, что свидетельствует о корреляции этого перехода с заполнением квантовой подзоны. Поскольку основная Рис. 4. Зависимость времени сверхизлучения N от плотности часть излучения из квантовой ямы при всех уровнях мощности накачки Pexc, нормированной на максимальную накачки — это сверхизлучение Дике, то по виду эксмощность Pmax = 9 · 106 Вт / см2 (a) и N при малых Pexc (b).

exc периментальной зависимости JQW(Pexc) можно сделать вывод, что связь между интенсивностью излучения Дике и мощностью накачки нелинейная. Кроме того, по зависимости интенсивности полной фотолюминесценции ностей 106 Вт / см2. Дальнейшее увеличение мощногетероструктуры от плотности мощности возбуждения сти время релаксации N практически не изменяет.

видно, что доля безызлучательной рекомбинации в кван- Сопоставление этой зависимости с зависимостями интовой яме значительно меньше, чем в матрице.

тенсивности излучения и формы спектра от уровня возбуждения показывает, что выход N на насыщение также связан с заполнением квантовой ямы.

3.3. Время релаксации Время сверхизлучения определялось по накло4. Обсуждение результатов ну низкоэнергетической части спектра. На рис. показана зависимость N от мощности возбуждеРасчеты энергетической структуры квантовой ямы ния. При изменении мощности накачки в пределах с учетом деформационных эффектов и зависимости Pexc = 1 · 10-3 - 9 · 106 Вт / см2 время изменяется от эффективной массы от энергии в четырехзонной модели, до 20 фс. Наибольшие изменения наблюдаются до мощвыполненные нами ранее [11], а также расчеты энергии связи экситона, проведенные в работе [12], позволяют идентифицировать наблюдаемую люминесценцию из квантовой ямы как экситонную, связанную с первой электронной подзоной и первой подзоной тяжелых дырок. Экситонный характер излучения подтверждается также тем, что при низких уровнях накачки полуширина полосы люминесценции меньше kT, т. е. меньше характерной для идеальных двумерных квантовых ям.

Форма экситонного спектра существенно зависит от того, являются ли экситоны независимыми излучателями, или они включаются в процессы формирования макродиполя, т. е. фазируются полем излучения.

Ранее нами было показано [10], что при малых уровнях возбуждения форма спектров фотолюминесценции в этих гетероструктурах наилучшим образом описывается зависимостью, характерной для сверхизлучения Дике. Из результатов, приведенных на рис. 1, видно, Рис. 3. Зависимости от плотности мощности возбучто при больших уровнях возбуждения доля сверхизждения Pexc, нормированной на максимальную мощность лучения в спектрах фотолюминесценции по-прежнему Pmax = 9 · 106 Вт / см2: a — полная интегральная интенсивность exc существенно преобладает.

излучения гетероструктуры JPL (1) и интегральная интенсивЭнергия связи экситона в исследуемых нами струкность излучения квантовой ямы JQW (2), прямая линия — завитурах, оцененная по результатам расчета [12], при симость, характерная для нормальной спонтанной релаксации;

b — JQW при малых Pexc. T = 100 K составляет 6 мэВ, т. е. несколько ниже kT.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Сверхизлучение в квантовых гетероструктурах Это означает, что в квантовой яме одновременно присутствуют как экситоны, так и свободные электроны и дырки. Поскольку времена теплового рассеяния свободных носителей в яме не меньше 10-12 c, т. е. значительно больше времени сверхизлучения N, вполне вероятно, что носители, заполняющие квантовые подзоны, тоже вовлекаются в процесс сверхизлучения. В результате при больших накачках наряду с экситонным наблюдается сверхизлучение, связанное с переходами между кватовыми подзонами.

Нелинейный характер зависимости интенсивности люминесценции из квантовой ямы от мощности накачки легко объясняется при малых уровнях возбуждения Рис. 5. Зависимость обратного времени релаксации Дике стационарностью процесса, при котором темп генерации -N от корня квадратного из интегральной интенсивности возбужденных состояний (G) равен темпу их релаксалюминесценции квантовой ямы J0.5.

QW ции (R), G = R, а при больших уровнях возбуждения — конечностью числа состояний в квантовой яме.

В исследуемых гетероструктурах имеются несколько каналов релаксации: безызлучательный, излучательный Если сопоставить характер изменения формы спектра для невзаимодействующих (несфазированных) диполей (рис. 2), интенсивности излучения (рис. 3) и времеи излучательный по механизму Дике. Каждый из них ни релаксации сверхизлучения (рис. 4) с изменением можно описать характеристическим временем — n, i мощности возбуждения, то видно, что на всех завии N соответственно. Тогда симостях существенные изменения наступают при зна чении плотности мощности накачки Pexc 106 Вт / см2.

1 1 При такой плотности квантовая яма практически заполR = N0 + +, n i N нена, и дальнейшее увеличение плотности мощности не должно приводить к значительному росту числа где N0 — полное число генерируемых в квантовой яме электронно-дырочных пар в яме. Таким образом, супар. Если уровень накачки настолько мал, что условие ществующая нелинейная связь между числом диполей l, необходимое для появления сверхизлучения, в яме и мощностью накачки приводит к кажущемуся не выполняется, устанавливается некоторое равновесное противоречию результатов исследования сверхизлучечисло диполей, независимо спонтанно излучающих свет.

Pages:     || 2 |



© 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.