WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Экситоны и поляритоны в полупроводниковых твердых растворах AlGaAs © Р.П. Сейсян¶, В.А. Кособукин, М.С. Маркосов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 28 декабря 2005 г. Принята к печати 5 апреля 2006 г.) Для полупроводниковых твердых растворов AlxGa1-x As с x = 0.15 и 0.21 при температурах T = 1.7-380 K измерялись спектр края поглощения и температурная зависимость интегрального коэффициента поглощения света. Результаты обсуждаются на основе двух моделей экситон-поляритонного переноса энергии возбуждения, которые в системах со случайным экситонным потенциалом могут привести к непостоянству интегрального поглощения при низких температурах. В одном случае температурная аномалия в поглощении рассматривается как результат конкуренции экситонного и электромагнитного переноса в квазиоднородной среде (виртуальном кристалле) с пространственной дисперсией. В другом случае эффект связан с переизлучением резонансных локализованных экситонов вдоль конечных цепочек квантовых ям в отсутствие экситонного переноса. На основании наблюдений характерной температурной зависимости интегрального поглощения сделан вывод о существовании экситонных поляритонов в исследованных твердых растворах. Для твердого раствора Al0.15Ga0.85As найдена критическая температура Tc = 155 K, выше которой интегральное поглощение насыщается. Показано, что для твердых растворов при T = 1.7-60 K домнирующим является неоднородное уширение экситонной линии флуктуирующим потенциалом, которое существенно превышает однородное уширение, обусловленное взаимодействием экситонов с фононами и заряженными примесями.

PACS: 71.35.-y, 71.35.Cc, 71.36.+c, 71.55.Eq 1. Введение занные с самосогласованным учетом динамики электромагнитного поля и экситонной поляризации.

Определяющую роль в светопереносе вблизи края Свойства экситонных поляритонов обычно обсуждафундаментального поглощения полупроводников играют ются в моделях однородных сред (кристаллов) [1,7].

экситонные поляритоны, т. е. смешанные моды эксиОднако есть основания утверждать, что ни макрооднотонной поляризации и электромагнитного поля. Для родность, ни упорядоченность не являются необходиполупроводниковых кристаллов проявление экситонных мыми условиями существования поляритонов вообще.

поляритонов во многих оптических явлениях — неоспоНа первое указывает, в частности, теория поляритонов римый факт [1]. В то же время для полупроводников неоднородной среде [8]. Второе следует по аналовых твердых растворов с большими концентрациями гии из экспериментов для неупорядоченных систем, в замещающего компонента x существование объемных которых изучалось продольно-поперечное расщепление экситонных поляритонов априори считается маловероятоптических фононов в стеклах [9] и наблюдались поверхным, так как экситонные состояния могут существенно ностные поляритоны, связанные с плазмонами в жидкой уширяться из-за флуктуаций потенциала, обусловленных ртути [10], с полярными оптическими фононами в стеккомпозиционным беспорядком. Уширение экситонных лах [11], с молекулярными колебаниями в некристаллилиний под влиянием флуктуирующего потенциала в ческих полимерах [12]. Интуитивно признается также суквазибинарных твердых растворах изучалось экспериществование поляритонов, связанных с квазидвумерныментально (например, работы [2,3] для растворов замеми экситонами в композиционных квантово-размерных щения AIIBVI) и теоретически [4–6]. Экспериментальные гетероструктурах, хотя влияние сплавного беспорядка работы показали, что с ростом параметра состава до на их формирование, по-видимому, не изучалось. Теореx 0.5 ширина экситонного состояния быстро растет тически для структур с квантовыми ямами поляритонная и, согласно оценкам, может существенно превысить структура может появляться и в отсутствие периодичнокритическую величину затухания экситона, выше котости [13]. Вместе с тем не известны экспериментальные рой интегральное поглощение становится температурноработы, в которых объемные экситонные поляритоны с независимым, таким же, как для экситонов с бескоих характерными особенностями надежно наблюдались нечной трансляционной массой. В теоретических рабобы в полупроводниковых твердых растворах.

тах [4–6] изучались ширина и форма линий поглощения Косвенные признаки существования экситонных поляи люминесценции, причем световое поле считалось ритонов в твердых растворах были обнаружены недавно заданным (внешним), т. е. не учитывались переизлучение при экспериментальном изучении фотолюминесценции экситонов и когерентные поляритонные эффекты, свяAlxGa1-xAs в эпитаксиальных слоях, получаемых ме¶ E-mail: rseis@ffm.ioffe.ru тодом молекулярно-пучковой эпитаксии [14]. При этом 1322 Р.П. Сейсян, В.А. Кособукин, М.С. Маркосов наблюдались относительно узкие спектральные линии гера имеет вид [5,16] люминесценции свободного экситона, что свидетель- 2 e2 mh ствовало об уникально высокой чистоте и кристалло- - - + Ve r + r 2M 2µ 0 M физическом совершенстве получаемых слоев со значениями параметра состава вплоть до x = 0.25. Для me таких же образцов в [15] были представлены предва- Vh r - (r, ) =(E - Eg) (r, ). (1) M рительные результаты изучения спектра вблизи края поглощения, а также температурной зависимости интеЗдесь r =(mere + mhrh)/M определяет трансляционное грального поглощения, которая для линии дискретного движение массы M = me + mh, а = re - rh — экситонного состояния интерпретировалась в рамках относительное движение с приведенной массой модели виртуального кристалла.

µ = 1/ m-1 + m-1, 0 — фоновая диэлектрическая e h Данная работа является развитием [15], направленным проницаемость. В случае плавного потенциала Ve - Vh, на более глубокий анализ экспериментальных данных.

действующего на экситон, существенно изменение в Цель работы — путем детального изучения интегральпределах экситонного боровского радиуса aB, а r — ного экситонного поглощения представить доказательв областях движения экситона как целого, имеющих ства существования экситонных поляритонов в эпитакхарактерные размеры L > aB. В пренебрежении сиальных твердых растворах AlxGa1-x As с большими поправками aB/L внутреннее и трансляционное значениями концентрации x замещающего компонента и движение разделяются, а уравнение (1) для волновой обсудить еще один механизм температурно-зависимого функции (r, ) =()(r) распадается на два.

интегрального поглощения, характерный для ограниченУравнение ных структур с квантовыми ямами. Задача решается в eдва этапа. Во-первых, спектроскопически демонстриру + - EB () =0 (2) 2µ ется наличие экситонов в твердых растворах и определяются их основные характеристики в зависимости от паопределяет волновую функцию экситона с энергираметра состава. Во-вторых, методом интегрального экей связи EB = e2/(20aB) и боровским радиусом ситонного поглощения устанавливается наличие темпеaB = 0/µe2 в квазиоднородной среде, соответствуюратурной зависимости поглощения, которая обсуждается щей среднему по образцу значению параметра состава x.

для двух моделей экситон-поляритонного переноса энерВторое уравнение гии. Для решения основной задачи сделан ряд важных методических разработок, которые также обсуждаются в - + W (r) +Eg - EB - E (r) =0 (3) статье. К их числу относятся: изготовление и работа со r 2M сверхтонкими свободными образцами (толщины порядка описывает трансляционное движение этого экситона во нескольких микрон); исключение появляющейся в этом флуктуирующем потенциале диапазоне толщин сильной помехи, связанной с интерференцией Фабри-Перо между границами образца;

mh me адекватное выделение доли дискретного экситонного W (r) = d Ve r + - Vh r - (), M M состояния в регистрируемом спектре оптического погло(4) щения в условиях „наползания“ континуума состояний усредненном по „быстрому“ относительному движению.

на дискретный спектр при высоких температурах.

Потенциал (4) выражается в наличии случайных кванСодержание статьи заключается в следующем.

товых ям, в которых экситоны могут локализоватьВ разд. 2 обсуждаются теоретические положения, пося. Распространяющиеся и локализованные экситонные служившие предпосылкой для данного исследования.

состояния разделены по энергии порогом подвижноВ разд. 3 описываются особенности приготовления обсти [4,5], который, однако, не является критической разцов, характеристики твердых растворов и постановточкой для оптического поглощения экситонами, так ка эксперимента. В разд. 4 обсуждаются результаты как состояния обоих типов могут возбуждаться светом.

спектроскопии экситонов и обосновывается существоПри энергиях ниже порога подвижности экситоны лование экситонных поляритонов в полупроводниковых кализованы, причем характер локализации существенно твердых растворах.

зависит от соотношения между радиусом экситона aB и размером ямы L (длиной локализации). Локализация экситона на масштабе L aB является маловероятным 2. Экситонные поляритоны событием: необходимые для этого мелкомасштабные, при наличии случайного потенциала но большие по величине флуктуации потенциала W (r) редки [5]. Далее предполагается, что L aB. В твердом 2.1. Экситон в случайном поле растворе с концентрацией узлов решетки локальное При наличии случайных полей потенциальной энер- значение параметра состава x + (r)/ определяется изгии электрона Ve(re) и дырки Vh(rh) уравнение Шредин- быточной концентрацией (r) замещающего компонента Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Экситоны и поляритоны в полупроводниковых твердых растворах AlGaAs со средним значением (r) = 0. Если (r) —гладкая В кристаллооптике [17,24] поляритоном называют функция (||aB ||), то для экситонного потенциала нормальную электромагнитную волну, соответствуюимеем [5] щую решению однородных уравнений Максвелла при наличии резонанса с волной поляризации P. В наdEg (r) W (r) =, (5) шем случае экситонные поляритоны определяются в dx x результате самосогласованного решения уравнения (6) где производная от ширины запрещенной зоны Eg берет- совместно с уравнением Максвелла ся при x и W (r) = 0.

rot rot E(r, ) - 0k2E(r, ) =4k2P(r, ). (8) 0 2.2. Модели распространения В приближении виртуального кристалла уравнения (6) экситонных поляритонов и (8) дают решение того же вида, что в случае однородной среды. Как следствие, резонансный вклад Имея в виду особенности экситонных состояний в диэлектрическую функцию, связанный с экситонной в твердых растворах, обсудим два механизма эксиполяризацией из (6), имеет вид тон-поляритонного переноса, приводящие к температурно-зависимому интегральному поглощению. Механизм I 20LT (, Q) =0 1 + (9) проявляется в средах с пространственной дисперсией 0 + 0Q2/M - 2 - i (M = ) как результат конкуренции экситонного и в зависимости от частоты света и волнового вектоэлектромагнитного энергопереноса в зависимости от пара Q. Здесь величины 0, 0, LT (продольно-поперечное раметра нерадиационного распада экситонов [17–20].

расщепление экситона), M и соответствуют параМеханизм II связан с перизлучением локализованных метру состава x твердого раствора. Конечное значение экситонов вдоль конечных цепочек резонансных кванпараметра 1/M определяет эффекты пространственной товых ям в отсутствие экситонного переноса [21,22].

дисперсии экситонов, в частности наличие при заданной частоте двух (l = 1, 2) поперечных волн экситонных 2.2.1. Модель квазисвободных экситонов. Для поляритонов, распространяющихся в квазиоднородной квазисвободных экситонов в случае I с учетом (3) среде. Этим волнам соответствуют комплексные показавведем уравнение тели преломления nl = Qlc/ [7], где Ql() — решение уравнения Q2 =(/c)2(, Ql) с функцией (9).

l Критерий существования экситонных поляритонов мы - P(r, ) + 0(r) - - i/2 P(r, ) =E(r, ).

r 2M формулируем в терминах коэффициента поглощения (6) (экстинкции) света ( - 0, ), проинтегрированного Оно обобщает модель Томаса-Хопфилда [23,24] на по энергии фотонов :

случай случайной экситонной поляризации твердого раствора P, возбуждаемой при |0 - | 0; — K() = d( - 0, ). (10) постоянная взаимодействия экситонов с электрическим полем E световой волны. В гладком потенциале W (r), когда aB < L, энергия возбуждения экситона Здесь предполагается, что параметр нерадиационного затухания экситона не зависит от. Наблюдаемая 0(r) =Eg - EB + W (r)(7) величина (10) исследуется как функция или температуры T, с которой связана монотонная функция диссив (6) является плавной случайной функцией координат.

пативного затухания экситона D(T ) [29], входящая в.

Флуктуации потенциала вызывают рассеяние или ограВ общем случае двухмодового (l = 1, 2) распространичение движения квазисвободных экситонов. Как следнения экситонных поляритонов вдоль оси z в однородствие, феноменологический параметр нерадиационного ной среде эффективный коэффициент поглощения затухания экситона = D + S в (6), кроме диссипативного вклада D, может включать вклад S, связанный с d = - ln S = ll Sll (11) рассеянием. Вследствие разной глубины потенциальных dz S l,l =1,ям и размерного квантования трансляционного движения в них возникает разброс энергий (неоднородное выражается через компоненты потока электромагнитной уширение экситонного спектра). Такое размерное кванэнергии S = Sll и величины ll = тование экситонов известно для пленок [25], шаровых l,l =1,частиц [26], структур с широкими квантовыми яма- = -d ln Sll /dz [18,19,30]. Можно считать [18], что ми [27,28]. Кроме сдвига уровней энергии, оно приводит коэффициент поглощения (11) в основном определяется к появлению при aB L 2c/(0 0) радиационного максимальным из двух диагональных членов ll() = < затухания R 0( 0 0L/c)d, где d — размерность = 2(/c) Im nl(), где nl() — введенный выше квантовой ямы. комплексный показатель преломления l-й моды. Тогда Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1324 Р.П. Сейсян, В.А. Кособукин, М.С. Маркосов для волн объемных экситонных поляритонов, распространяющихся в квазиоднородной среде (виртуальном кристалле) с пространственной дисперсией, интегральный коэффициент поглощения (10) имеет вид [18] / c arctg 1-( / ) c K( ) =Kmax + 1 - при <, c c c 1при >.

c (12) Здесь =, Рис. 1. Теоретические зависимости интегрального поглоще0 Kmax = LT (13) ния K/Kmax от параметра нерадиационного затухания экситоc нов в модели I для однородной среды с пространственной дисперсией (1) и в модели II для структур с числом квантовых — максимальное значение интегрального коэффициента ям N = 20 (2), N = 1 (3) (период структур d = 0.4c/( 0 0) поглощения, равен 150 ). Вычислено с параметрами GaAs 0 = 1.51 эВ, 20 LT 0 = 12 при = = 0.3мэВ, где — параметр радиаци = 2 0 (14) c R R c Mcонного затухания квазидвумерного экситона. Нормировочная I II постоянная Kmax дается формулой (13), а Kmax = 2 /d.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.