Диссертация (Динамика спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах), страница 8

К подложке и электроду с помощью токопроводящейпасты прикреплялись контакты. В процессе эксперимента между верхней инижней поверхностями образца прикладывалось регулируемое постоянноенапряжение в диапазоне от +1.0 до –2.0 V.40В дальнейшем будет указываться напряжение на золотом электроде относительноподложки. Типичный спектр люминесценции квантовых точек InP привозбуждении выше полосы люминесценции показан на рис. 2.1.Интенсивность ФЛ (усл. ед.)∆EStokesEPL1700Eexc17501800Энергия (мэВ)1850Рис.

2.1 Спектр люминесценции квантовых точек InP/InGaP. Стрелками показаныэнергии фотонов возбуждающего и детектируемого излучений, а также величинаcтоксового сдвига.Мы обнаружили, что квантовые точки InP в исследуемой структуре исходносодержат избыточный заряд, и что разрядка изначально заряженных квантовыхточек InP с помощью приложенного электрического поля приводит к появлениюочень интенсивных квантовых биений в кинетике их фотолюминесценции вмагнитном поле. Это позволило подробно изучить зависимость формы иамплитуды квантовых биений от условий эксперимента: от поляризациивозбуждающего и регистрирующего излучений, от стоксова сдвига, от величиныи направления магнитного поля [A1-A5, A15, A16]. Наши исследования показали,что при напряжении U 0 = −0.2 V в квантовых точках в среднем находится поодному резидентному электрону.

С уменьшением напряжения ( ∆U < −0.2 V)растет количество незаряженных квантовых точек, а с ростом напряжения41( ∆U > −0.2 V) растет количество многократно заряженных точек. Все данные,приведенные в главе 3, получены при напряжении Ubias = -0.75 V и соответствуютквантовымбиениямэкситонныхспиновыхподуровнейвнезаряженныхквантовых точках.Исследование зависимости частоты и амплитуды экситонных спиновыхквантовых биений в незаряженных квантовых точках от стоксова сдвигапоказали, что электрон и дырка образуют сильно корелированную пару вквантовой точке даже при их фоторождении в сильновозбужденном состоянии, тоесть, релаксация электрона и дырки на их нижайшие уровни не приводит кполной потери спиновой когерентности.

Оказалось, что наиболее интенсивныебиения наблюдаются при стоксовом сдвиге ∆E Stokes ≅ 45 мэВ, соответствующемэнергии продольных оптических фононов (скорость релаксации электроннодырочной пары также максимальна при ∆E Stokes ≅ 45 мэВ). Таким образом,несмотря на большой cтоксов сдвиг, при быстрой релаксации с испусканием LOфононов сохраняется значительная доля спиновой когерентности.

Посколькунаибольшая амплитуда осцилляций наблюдается при cтоксовом сдвиге ∆E ≅ 45мэВ, все данные, приведенные ниже, получены именно при этом значенииcтоксова сдвига.422.1.2 Квантовые ямы GaAs/ AlGaAsМетодомфарадеевскоговращенияисследовалсянаборструктурсквантовыми ямами GaAs/AlGaAs. Все исследованные образцы были выращеныметодом молекулярной пучковой эпитаксии на (100) GaAs подложках. Образцысодержали одну или несколько изолированных квантовых ям разной толщины.Структурыбылиохарактеризованыспомощьюнизко-температурнойфотолюминесценции, возбуждаемой лазерной линией 532 нм с плотностьювозбуждения 0.3 Вт/см2.

Типичный спектр фотолюминесценции, полученный дляобразца p340, содержащий 4 квантовые ямы различной толщины, показан наGaAs буферИнтенсивность люминесценциирисунке 2.2.17нмT = 1.6 K13нм 8.8нм5.1нмx0.11.521.54 1.56 1.58Энергия (эВ)1.60Рис. 2.2 Спектр ФЛ структуры GaAs/Al0.34Ga0.66As, содержащей четыреизолированных квантовых ямы различной толщины (образец p340, #2).Люминесценция буферного слоя GaAs показана пунктирной линией.Толщины квантовых ям в образцах, энергии экситонных переходов в этихквантовых ямах и экспериментально полученные значения поперечной ипродольной компонент электронного g-фактора представлены в Главе 3, Таблице431.

Все структуры были номинально нелегированы, но из-за остаточноголегированиябарьеров квантовыеямысодержали небольшое количествоизбыточных электронов. Электронная плотность не превышала 5*109 cm−2.ЛюминесценциябуферногослояGaAsпоказанаштриховойлинией.Люминесценция квантовых ям преимущественно обусловлена рекомбинациейэкситонов. Плечи с низкоэнергетической стороны обусловлены отрицательнозаряженными экситонными комплексами [2.2].2.1.3 Квантовые ямы In0.09Ga0.91As/ GaAsМного исследований было проведено на структуре с двумя квантовымиямами InGaAs толщиной 8 нм, разделенными между собой узким барьером 1.7 нм.Эта пара ям была помещена между слоями GaAs толщиной 100 нм. Структуратакже была выращена методом молекулярной пучковой эпитаксии на (100)подложке GaAs.

Источником электронов служил n-легированный барьерный слойGaAs, выращенный на расстоянии 100 нм от квантовых ям. Плотность двумерногоэлектронного газа в квантовой яме в отсутствии оптического возбуждения непревышала 1010 см-2.Структура была охарактеризована с помощью низко-температурнойфотолюминесценции. Спектры фотолюминесценции для разных длин волнвозбуждающего света показаны на рисунке 2.3(а). Отчетливо видны два пика. Мыприписываем их экситонному (EX = 1.44 эВ)и трионному (ET = 1.439 эВ)оптическим переходам [2.2].Спектр люминесценции при длине волны возбуждающего света 820 нмотдельно представлен на рис.

2.3(b). Максимум линии на 861.3 нм, полуширина 0.8 нм. На вставке к рис. 2.3(b) представлена кинетика люминесценции. Тонкаячерная линия – эксперимент, толстая серая линия – подгонка формулойI s = I 0 [exp(− t t PL ) − exp(− t t r )] , τPL = 340 пс, τr = 170 пс.1.4351.4401.445Энергия (эВ)1.450Интенсивность ФЛEexc1.632 эВ1.556 эВ1.516 эВ1.512 эВ1.476 эВ(a)Интенсивность ФЛ (усл.ед.)Интенсивность ФЛ (усл.ед.)44(b)T=10KP = 0.95 mW01000t (пс)2000Eexc = 1.512 эВ1.438 1.440 1.442 1.444 1.446Энергия (эВ)Рис.2.3 (а) Спектры фотолюминесценции образца #11708 с двойной квантовойямой InGaAs/GaAs для разных энергий возбуждающего света. (b) Спектрлюминесценции при энергии возбуждающего света 1.512 эВ. На вставкепредставлена кинетика люминесценции.2.1.3 Квантовые точки InAs/ GaAsКроместруктурсквантовымиямамиактивноисследовалисьгетероструктуры с квантовыми точками InAs/GaAs.

Образцы с квантовымиточками были выращены методом Странского-Крастанова. Большая частьэкспериментов была проведена на структуре #11955, которая содержала 20 слоевквантовых точек, разделенных 60нм легированным Si барьером. Плотность точекв слое была приблизительно 1010 см-2. Концентрация легирования примерносоответствовалаплотноститочек. Чтобысместить излучение основногосостояния квантовых точек в более удобную спектральную область, образецотжигался в течение 30 с при 960о.Характерные размеры и плотность точек были определены с помощьюатомной силовой микроскопии на образце без верхнего барьерного слоя,45выращенного в тех же самых условиях, что и исследуемый образец. Оказалось,что точки имеют куполообразную форму без ярко выраженной анизотропии в0.58T=2KИнтенсивностьфотолюминесценции0.560.540.52лазер0.501.37 1.38 1.39 1.40 1.41 1.42 1.43электронный g-фактор, |ge|плоскости [2.3], что согласуется с литературными данными [2.4].Энергия (эВ)Рис.2.4 Спектр люминесценции исследуемого ансамбля квантовых точек(In,Ga)As/GaAs (образец #11955), измеренный при температуре 2 K.

Сплошнымчерным цветом показан спектр лазерных импульсов, имеющий полуширину около1 мэВ. Точками показано изменение электронного g-фактора в пределахнеоднородно уширенного контура.Экспериментыпопросвечивающейэлектронноймикроскопиинеотожженного образца с верхним слоем показали, что точки в среднем имеютдиаметр 25 нм и высоту 5 нм. Термический отжиг может увеличить этипараметры. Однако взаимная диффузия Ga и In при отжиге приводит к тому, чтоконтраст между материалами становится слишком слабым, чтобы получитьколичественные данные о геометрии точек для отожженной структуры. Нарисунке 2.4 показан спектр люминесценции образца.

Полуширина линиилюминесценции квантовых точек составляет 15 мэВ. Это говорит о хорошемкачествеисследованногополяризацияподансамбляобразца.Вквантовыхотносительно узким лазерным излучением.экспериментеточек,изучаласьвыделенногоспиноваяспектральноИнтенсивность ФЛ(усл.ед.)461.361.381.401.42Энергия (эВ)Рис.2.5Спектрлюминесценцииобразца#11386сквантовымиточками(In,Ga)As/GaAs, измеренный при температуре 2 K.

Eexc = 1.476 эВ.Кроме этого исследовался образец #11386 с квантовыми точкамиInAs/GaAs. Он содержал десять слоев квантовых точек, разделенных 100 нмбарьером. Плотность точек в каждом слое была ~ 1010 см-2. Образец такжеотжигался в течении 30 с при 960о. Номинально образец был нелегирован, но изза остаточного легирования содержал положительно и отрицательно заряженныеквантовые точки.

На рисунке 2.5 показан спектр люминесценции образца.472.2 Экспериментальные установки и методы исследования2.2.1 Измерение поляризованной фотолюминесценцииОдним из основных методов исследований являлось изучение спектров икинетикиполяризованнойфотолюминесценции(ФЛ)привозбуждениинепосредственно в экситонную полосу квантовых точек (квазирезонансноевозбуждение). Блок-схема установки представлена на рис. 2.6.Люминесценция возбуждалась перестраиваемым излучением Ti:сапфирлазера с частотой повторения импульсов 82MHz. Область перестройки лазера690÷720 нм обеспечивала как строго резонансное, так и квазирезонансноевозбуждение с контролируемой отстройкой по энергии (например, типичнаяотстройка на энергию LO фонона ~45 мэВ).

Длительность импульса выбираласьтак, чтобы обеспечить оптимальное сочетание временного и спектральногоразрешения. Другие элементы установки не позволяли получить временноеразрешение <5 пс, с другой стороны некоторые особенности в спектрах (LOрезонанс) имели полуширину порядка нескольких мэВ, поэтому лазерныйимпульс выбирался спектрально достаточно узким с полушириной не более 1 мэВи спектрально согласованной длительностью околоповторенияпозволялабыстронакапливать5пс.

Большая частотасигнал,чтоповышалочувствительность установки.Длярегистрациилюминесценцииврежимереальноговременииспользовалась матричная стрик-камера фирмы Hamamatsu с предельнымвременным разрешением ~2пс. Встроенный в эту камеру усилитель яркости ввиде микроканальной пластины позволял регистрировать отдельные фотоны.Развертка стрик-камеры синхронизовалась по фазе с лазерными импульсами, чтообеспечивало высокую временную стабильность измерений.48Рис. 2.6 Экспериментальная установка для измерения люминесценцииПри регистрации кинетики ФЛ с небольшим стоксовым сдвигом серьезнойэкспериментальной задачей являлось выделение люминесценции на фонерассеянного лазерного излучения, что можно сделать только при помощиспектрального прибора.