Диссертация (1149174), страница 13
Текст из файла (страница 13)
рисунок 3.6).Накопление вызвано увеличением средней кинетической энергии и, соответственно, среднего волнового вектора неизлучающих экситонов при увеличениитемпературы. В результате, экситонная релаксация в световой конус замедлена,и их время жизни увеличивается.Простой теоретический анализ предсказывает линейную температурнуюзависимость времени жизни и плотности неизлучающих экситонов в КЯ [16; 29;118].
При высоких температурах температурная диссоциация неизлучающих экситонов уменьшает их плотность, и, соответственно, дополнительное уширениеэкситонных пиков в спектрах ФЛ. На рисунке 3.8 показано, что ширина пиков вспектрах ФЛ и амплитуда долгоживущей компоненты сигнала накачка-зондирование имеют схожую температурную зависимость для первого экситонного6410.13Ipp (отн.
ед.)EX1 (мэВ)0.140.50.1200.11051015202530−0.535Температура (K)Рисунок 3.8 — Температурная зависимость уширения линий 1 в спектрахФЛ (синие точки) для перехода 1, измеренная при мощностинакачки = 50 Вт, и амплитуда (оранжевые точки) долгоживущейкомпоненты сигнала накачка-зондирование, показанного на рисунке 3.6.Сплошная линия показывает аппроксимацию вырежением (3.15) спараметрами [см.
выражение (3.6)]: 0 = 120 эВ, 1 / = 14, / = 6000.Энергии активации выбраны такими же как и для тушения ФЛ (см.рисунок 3.3).пика. Это подтверждает, что неизлучающие экситоны сильно влияют как науширение, так и амплитуду. Температурная зависимость может быть аппроксимирована функцией:1 ( ) = 0 + × ( ),(3.15)где ( ) дается выражением (3.6) и описывает температурно-активируемые потери экситонного резервуара.Немонотонная температурная зависимость скорости выброса экситонов , обсуждаемая в главе 3.1.1, также объясняется рассеянием излучающихэкситонов неизлучающими. Скорость нормализованная на амплитуду долгоживущей компоненты сигнала накачка-зондирование (см.
рисунок 3.8) впределах экспериментальной погрешности около 15% не зависит от температуры. Поскольку пропорционально экситонной плотности в резервуаре ,этот факт означает, что ∼ . Таким образом, можно заключить, что вы65брос излучающих экситонов из светового конуса преимущественно связан с ихрассеянием на неизлучающих экситонах.3.3ЗаключениеАнализ спектров ФЛ и кинетики релаксации квантово-размерных экситонных в высококачественной гетероструктуре с широкой КЯ позволил получитьценную информацию о наиболее важных релаксационных процессах в этой системе. Чрезвычайно малые ширины спектральных линий и отсутствие какихлибо стоксовских сдвигов между резонансами, наблюдаемыми в спектрах ФЛ иотражения, указывает на высокое качество исследуемой структуры.
Наши эксперименты показали, что из-за пренебрежимо малой плотности дефектов, наиболее эффективным процессом экситонного распада при низкой температуре ималой мощности накачки является излучательная рекомбинация. Этот процессответственнен за уширение низкоэнергетичного экситонного пика в ФЛ.
Скорость излучательной рекомбинации для возбужденных состояний существенноменьше, поэтому фононная релаксация экситонов из возбужденных состоянийв нижележащие состояния сильно влияет на уширение линий. Релаксационныепроцессы дополнительно проявляются для возбужденных состояний, поскольку плотность состояний акустических фононных состояний растет, как функцияэнергии.Проведенное исследование показало, что кинетика излучающих экситоновсильно подвержена влиянию долгоживущего резервуара неизлучающих экситонов, чей волновой вектор лежит вне светового конуса. В частности, резервуар проявляется, как долгоживущая компонента сигнала накачка-зондирование.Время жизни этой компоненты на три порядка больше больше, чем время излучательной экситонной рекомбинации.
Это связано с медленной релаксацией неизлучающих экситонов в излучающие состояния. При низкой температуре медленная релаксация не приводит к уменьшению квантового выхода ФЛ,поскольку процессы безызлучательной рекомбинации не эффективны в высококачественных КЯ. Увеличение температуры до 30 К приводит к сильномууменьшению интенсивности ФЛ из-за температурной диссоциации неизлучаю66щих экситонов в резервуаре Скорость диссоциации сравнима со скоростью экситонной релаксации из неизлучающих в излучающие состояния, но значительноменьше чем скорость излучательной рекомбинации, которая отвечает за ширины линий.
Резервуар неизлучающих экситонов также влияет на спектры ФЛ.В частности, рассеяние излучающих экситонов неизлучающими при большоймощности накачки приводит к дополнительному уширению линий ФЛ.Важно отметить, что наблюдаемые нетривиальные эффекты являютсяне специфичным свойством конкретного исследованного образца. Они могутреализовываться в любой достаточно высококачественной полупроводниковойструктуре с КЯ промежуточной ширины, для которой возможно исследованиенесколько размерно-квантованных экситонных состояний, а также велико время жизни неизлучающих экситонов.67Глава 4.
Квантовые биения квантово-размерных экситонныхсостояний в гетероструктурах с квантовыми ямамиВ данной главе, приведены результаты экспериментального исследованияметодом накачка-зондирование когерентного отклика системы нескольких квантово-размерных экситонных состояний в высококачественной InGaAs/GaAsКЯ. Было обнаружено, что когерентное возбуждение нескольких экситонныхсостояний коротким лазерным импульсом приводит к осцилляциям сигнала снесколькими частотами в интенсивности отраженного луча зондирования какпри положительных, так и отрицательных задержках между импульсами накачки и зондирования.
Разработана модель, которая позволила связать эти осцилляции с квантовыми биениями нескольких когерентно связанных квантоворазмерных экситонных состояний.В экспериментах использовался тот же образец, что и для исследований,результаты которых представлены в предыдущей главе. Напомним, что спектрФЛ этого образца (см. рисунок 3.1) демонстрирует несколько резонансов, связанных с квантово-размерными экситонными состояниями в КЯ. Детальнаяоптическая характеризация этого образца приведена в главе 3.Кинетика вторичного излучения этой КЯ изучалась методом накачка-зондирование (см.
параграф 2.3), в котором фотомодулированное отражение измерялось как функция временной задержки между импульсами накачки и зондирования. Все представленные данные получены при температуре 35 К, чтобыизбежать эффектов, связанных с накоплением экситонов в резервуаре неизлучающих экситонов и описанных в главе 3.
Импульсы накачки длительностью ≈ 1.7 пс были получены спектральной селекцией при помощи акусто-оптического фильтра из спектрально более широких 100-фс импульсов. Вследствиеэтого импульсы накачки имели дополнительные спектральные максимумы помимо основного. Спектральная форма импульсов накачки может быть хорошоописана функцией вида (sin /)2 [см. рисунок 3.5(б)]. Спектральное положениеосновного пика накачки было настроено на 3-ий и 4-ый экситонные переходыв КЯ.
Луч накачки модулировался по амплитуде механического модуляторана частоте несколько сот Герц. Спектрально более широкие импульсы зондирования длительностью ≈ 0.1 пс накрывали все изучаемые экситонные пе68Рисунок 4.1 — Спектрально разрешенная кинетика сигналанакачка-зондирование при когерентном возбуждении в четвертое экситонноесостояние 4. Левая вставка: спектр фотолюминесценции гетероструктуры счетырьмя экситонными резонансами (1 − 4). Средняя вставка: геометрияэксперимента. Правая вставка: упрошенная модель экситонных переходов.реходы с практически одинаковой амплитудой.
Фотомодулированное отражение измерялось при помощи 0.55-м спектрометра, в который направлялся лучзондирования, отраженный от образца. Сигнал регистрировался фотодиодом,подключенным к синхронному детектору.4.1Наблюдение квантовых биенийПример временной эволюции сигнала накачка-зондирование в спектральном диапазоне четырех нижайших экситонных переходов приведены на рисунке 4.1. Максимум сигнала соответствует четвертому экситонному энергетическому уровню, который наиболее сильно возбуждается лучом накачки. Рисунок 4.169демонстрирует нетривиальную зависимость амплитуды сигнала для различныхэкситонных резонансов, от задержки между импульсами накачки и зондирования. В частности, в сигнале видны быстро затухающие осцилляции, наложенные на медленно меняющийся фоновый сигнал. Медленная компонента сигналасвязана с долго-живущим резервуаром неизлучающих экситонов, что обсуждалось в параграфе 3.1.2.
В данном разделе обсуждается только осциллирующаякомпонента, типичная для квантовых биений. В следующих параграфах будетпоказано, что наблюдаемые осцилляции связаны с квантовыми биениями квантово-размерных экситонных состояний в КЯ. Важно подчеркнуть необычнуюдля экспериментов накачка-зондирование особенность, а именно, что осцилляции наблюдаются одинаково хорошо как при положительных, так и при отрицательных задержках. Также отметим, что представленные данные измереныв точке образца не совпадающей с точкой, в которой был получен спектр отражения, представленный на рисунке 3.1(б).Рисунок 4.2(а) демонстрирует сигнал кинетики фотоотражения длянескольких экситонных переходов.
Фурье-спектры этих сигналов представленна рисунке 4.2(б). Частоты квантовых биений, измеренных в спектральных максимумах (минимумах) сигнала фотомодулированного отражения, соответствуют энергетическому расстоянию между соответствующими экситонными уровнями и уровнем 4 (см. рисунок 4.3). Осциллирующая компонента сигнала,измеренного на длине волны соответствующей экситонному уровню (4), относительно слаба при этих экспериментальных условиях. Однако, его Фурьеанализ позволил достоверно получить частоту квантовых биений, связанную сбиением экситонных состояний 1 и 4.Изменение длины волны фотонов накачки приводит изменению как амплитуды наблюдаемого сигнала, так и к изменению наблюдаемых частот квантовыхбиений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
