WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 5 Исследование резонансного туннелирования экситонов в сверхрешетках GaAs/AlAs в электрическом поле методом рамановской спектроскопии © В.Ф. Сапега, Т. Руф, М. Кардона, Х.Т. Гран, К. Плоог Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт твердого тела им. Макса Планка, Германия Институт электроники твердого тела им. Пауля Друде, Германия Методом резонансного рамановского рассеяния света на акустических фононах изучено влияние электрического поля на состояния экситонов в сверхрешетке GaAs/AlAs. При совпадении энергии возбуждающего фотона с энергией экситона, связанного с состояниями Ванье–Штарка тяжелой дырки и электрона с n = 0, ±1 обнаружено резонансное усиление рамановского рассеяния света на акустических фононах.

Осцилляции интенсивности рамановского спектра в электрическом поле объясняются резонансной делокализацией основного состояния экситона при взаимодействии с состояниями Ванье–Штарка соседних квантовых ям или с состояниями Ванье–Штарка вышележащей электронной минизоны.

Индуцированная электрическим полем локализация этому можно исследовать индивидуальные резонансы волновых функций электронных состояний (локализация очень подробно. Более того, для фононов с энергияВанье–Штарка) в твердых телах активно исследовалась ми, меньшими, чем однородное уширение, почти вытеоретически [1–3] и экспериментально. Однако, возмож- полняются условия двойного резонанса, что приводит ность экспериментального наблюдения этого явления к заметному увеличению интенсивности рассеянного появилась только с созданием полупроводниковых сверх- света [14].

решеток (СР). Локализация Ванье–Штарка и, так на- На рисунке показаны типичные электро-рамановские зываемая, штарковская лестница электронных состояний спектры, измеренные при разных энергиях возбуждения в электрическом поле исследовалась методами спектро- по отношению к нижайшему минизонному переходу. В скопии фототока, возбуждения фотолюминесценции [4] этих спектрах можно выявить три вида резонансов. Пики, и электроотражения [5]. О влиянии электрического обозначенные n =+1 на рисунке, a движутся в область поля на рамановское рассеяние света на оптических больших полей при увеличении энергии возбуждения фононах сообщалось в работе [6,7], а также были обна- Eex. Подобные пики (n = -1) также наблюдаются ружены эффекты, обусловленные резонансным туннели- при энергиях возбуждения, меньших 1.610 eV. Однако, рованием [8]. они движутся в область малых энергий. Их наклон В данной работе методом резонансного рамановского равен +0.76 meV/(kV/cm) и -0.94 meV/(kV/cm), соотрассеяния света на акустических фононах исследовано ветственно. Эти резонансы были интерпретированы как влияние электрического поля на основное состояние переходы между состояниями Ванье–Штарка тяжелых экситона в сверхрешетке (СР) (результаты этих иссле- дырок и электронов, локализованных в соседних КЯ, т. е.

дований изложены в работах [9,10]). переходы с n = ±1.

Эксперименты были выполнены на том же образце В больших электрических полях интенсивность непре(СР из 60 периодов (70/9) GaAs/AlAs), что и экспе- рывного рамановского спектрах существенно увеличирименты работы [11], измерения были выполнены при вается. Типичный электро-рамановский спектр приведен T = 15 K. Плотность накачки непрерывного перестраи- на рисунке, b. На этом спектре можно видеть четко ваемого Ti-сапфирового лазера составляла 1–2.5 W/cm-2. выраженные провалы в интенсивности (они отмечены Для определения резонансов, обусловленных штар- на рисунке, b цифрами со звездочками) на фоне шиковскими уровнями, была применена методика, ис- рокого резонансного пика. Сравнение с теоретическим пользованная ранее нами для изучения уровней Лан- расчетом и результатами работы [11] показывает, что дау [12,13]. Для каждой энергии возбуждения спек- эти минимумы в электро-рамановских спектрах вознитрометр использовался как фильтр, полоса пропуска- кают, когда состояние n = 0 экситона делокализуется ния, которого была сдвинута в стоксову область на из-за антипересечения с состояниями Ванье–Штарка с 6cm-1. При этих условиях измерялась интенсивность n = -6,..., -2 (обозначены звездочками), происходярассеянного света как функция электрического поля. щими из следующей, вышележащей минизоны. Три, из Такие электро-рамановские спектры чувствительны ко наблюдаемых резонансов (n = -2, -3, -4 на ривсем электронным состояниям, для которых выпол- сунке, b), совпадают с теми, которые наблюдались в фоняются условия входного или выходного резонанса в тогальванических экспериментах в этой структуре [11].

рамановском процессе. Преимущество рассеяния света Взаимодействие состояния (n = 0) экситона с состоянияна акустических фононах состоит в том, что резонан- ми Ванье–Штарка вышележащей минизоны способствует сы исследуются при малых рамановских сдвигах. По- туннелированию электронов между КЯ. Это приводит 828 В.Ф. Сапега, Т. Руф, М. Кардона, Х.Т. Гран, К. Плоог Было показано, что в объемном GaAs состояние экситона с энергией связи Eexc = 4.2meV легко ионизируется уже в достаточно слабых электрических полях F = 1kV/cm (см. [16] и ссылки там). Вероятность ионизации экситона во внешнем электрическом поле обусловлена несимметричным уменьшением кулоновского потенциала и поэтому увеличивается монотонно с увеличением поля F. В СР ситуация заметно сложнее, поскольку экситонным континуумом является минизона, которая состоит из большого числа делокализованных волновых функций. Электрическое поле расщепляет состояния континуума на дискретный набор состояний Ванье–Штарка, локализованных в соответствующих КЯ.

Однако, эти состояния имеют протяженность в несколько периодов и поэтому могут взаимодействовать с такими же состояниями, локализованными в других КЯ.

Это взаимодействие становится существенным, когда уровни имеют близкие энергии [17]. Взаимодействие электронной или дырочной компоненты волновой функции экситонов, локализованных в разных изолированных КЯ, приводит к резонансному туннелированию. Именно эти резонансы проявляются в осцилляциях интенсивности рамановского процесса и фотолюминесценции и объясняют поведение электро-рамановских спектров в малых полях на рисунке. Минимумы интенсивности (обозначены цифрами с тильдами на рисунке) возникают в результате резонансной делокализации экситона, локализованного флуктуациями ширин КЯ, при взаиЭлектро-рамановские спектры СР GaAs/AlAs для разных энер- модействии его с состояниями минизонного экситонгий возбуждения Eex. Пики, обозначенные n = ±1 — резо- ного континуума, расщепленного электрическим полем.

нансное рамановское рассеяние с участием переходов между Этот эффект недавно был рассмотрен теоретически состояниями Ванье–Штарка. Осцилляции в области малых в [18].

полей (минимумы, обозначенные цифрами с тильдами), обВ электро-рамановских спектрах на рисунке наблюусловлены резонансной делокализацией экситонного состодаются минимумы в интервале 3 и 25 kV/cm (цифры с яния при его взаимодействии с состояниями минизонного тильдами), которые обусловлены взаимодействием локаконтинуума. Минимумы в области сильных полей (цифры со лизованного экситона с состояниями, локализованными звездочками на (b)), обусловлены взаимодействием с уровнями в ближайших семи КЯ. Минимумы n = -1,..., -7 в Ванье–Штарка вышележащей электронной минизоны.

электро-рамановском спектре, измеренном при 1.601 eV, на рисунке наблюдаются в полях 28, 14.5, 8.5, 6.5, к уменьшению времени жизни экситона в состоянии 5.1, 4.0, и 3.2 kV/cm соответственно. С учетом того, n = 0. В работе [15] было показано, что интенсивность что центр минизоны находится при энергии 1.623 eV рамановского процесса связана со временем дефазиров- и что наклон штарковских состояний n = -1 и ки (временем жизни) состояния экситона, выступающим составляет -0.94 и -0.09 meV/(kV/cm) соответственв качестве промежуточного. Следовательно уменьшение но, можно с помощью соотношения E = n · eFd времени жизни электрона в состоянии (n=0) приводит к вычислить положение резонансов. Рассчитанные тауменьшению интенсивность рамановского процесса, что ким образом резонансы должны наблюдаться в пона спектре проявляется в виде провалов в интенсивности лях 25.9, 12.9, 8.6, 6.5, 5.2, 4.3 и 3.7 kV/cm, что широкого резонансного контура.

находится в хорошем согласии с экспериментальными Обсудим причины, приводящие к осцилляциям интен- значениями.

сивности рамановского рассеяния в области малых полей Авторы благодарны Д.Н. Мирлину и Б.П. Захарчене (обозначены цифрами с тильдами). Характерные осцилза полезные обсуждения и А. Фишеру за приготовление ляции интенсивности рамановского спектра на рисунке образцов.

в полях, меньших 15 kV/cm, наблюдаются, когда энергия возбуждения, как больше, так и меньше на 20 meV В.Ф.С. благодарен за финансовую поддержку Фонду энергии между нижайшими состояниями электронной и Фольксвагена (грант № 1/70958) и обществу им. Макдырочной минизон.

са Планка.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Исследование резонансного туннелирования экситонов в сверхрешетках GaAs/AlAs... Список литературы [1] G.H. Wannier. Elements of Solid State Theory. Cambridge University Press, London (1959); G.H. Wannier. Phys. Rev.

117, 432 (1960).

[2] Р.Ф. Казаринов, Р.А. Сурис. ФТП 6, 1, 148 (1972).

[3] J. Bleuse, G. Bastard, P. Voisin. Phys. Rev. Lett. 60, (1988).

[4] E.E. Mendez, F. Agull-Rueda, J.M. Hong. Phys. Rev. Lett.

60, 2426 (1988).

[5] P. Voisin, J. Bleuse, C. Bouche, S. Gaillard, C. Alibert, A. Regreny. Phys. Rev. Lett. 61, 1639 (1988).

[6] F. Agull-Rueda, E.E. Mendez, J.M. Hong. Phys. Rev. B38, 12 720 (1988).

[7] A.J. Shields, C. Trallero–Giner, M. Cardona, H.T. Grahn, K. Ploog, V.A. Haisler, D.A. Tenne, N.T. Moshegov, A.I. Toropov. Phys. Rev. B46, 6990 (1992).

[8] A.J. Shields, M. Cardona, H.T. Grahn, K. Ploog. Phys. Rev.

B47, 13 922 (1993).

[9] V.F. Sapega, T. Ruf, M. Cardona, H.T. Grahn, K. Ploog. In:

Proc. 23rd Int. Conf. on the Physics of Semiconductors / Ed.

M. Scheffler and R. Zimmermann. World Scientific, Singapore (1996). P. 1778.

[10] V.F. Sapega, T. Ruf, M. Cardona, H.T. Grahn, K. Ploog. Phys.

Rev. B56, 1041 (1997).

[11] H. Schneider, H.T. Grahn, K. von Klitzing, K. Ploog. Phys.

Rev. Lett. 65, 2720 (1990).

[12] V.F. Sapega, V.I. Belitsky, T. Ruf, H.D. Fuchs, M. Cardona, K. Ploog. Phys. Rev. B46, 16 005 (1992).

[13] G. Goldoni, T. Ruf. V.F. Sapega, A. Fainstein, M. Cardona.

Phys. Rev. B51, 14 542 (1995).

[14] T. Ruf, V.I. Belitsky, J. Spitzer, V.F. Sapega, M. Cardona, K. Ploog. Phys. Rev. Lett. 71, 3035 (1993).

[15] J.E. Zucker, A. Pinczuk, D.S. Chemla, A.C. Gossard. Phys.

Rev. B35, 2892 (1987).

[16] D.C. Reynolds, T.C. Collins. In: Excitons. Academic, N.Y.

(1981). P. 138.

[17] A.M. Fox, D.A. Miller, G. Livescu, J.E. Cunningham, W.Y. Jan.

Phys. Rev. B44, 6231 (1991).

[18] M.M. Dignam, J.E. Sipe. Phys. Rev. B43, 4097 (1991).

[19] F. Agull-Rueda, J.A. Brum, E.E. Mendez, J.M. Hong. Phys.

Rev. B41, 1676 (1990).

Физика твердого тела, 1998, том 40, №




© 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.