научная статья по теме КВАНТОВЫЕ БИЕНИЯ СОСТОЯНИЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ В КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ INP Физика

Текст научной статьи на тему «КВАНТОВЫЕ БИЕНИЯ СОСТОЯНИЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ В КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ INP»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2008, том 104, № 4, с. 640-652

НЕЛИНЕЙНАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА

КВАНТОВЫЕ БИЕНИЯ СОСТОЯНИЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ

В КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ InP

*Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета,

198504 Санкт-Петербург, Россия **Institute of Physics, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan E-mail: ivan_ignatiev@mail.ru Поступила в редакцию 26.03.2007 г.

В кинетике люминесценции полупроводниковых наноструктур с квантовыми точками InP, характеризуемыми большим неоднородным уширением оптических переходов, экспериментально наблюдены квантовые биения различного типа. Для выделения биений определенного типа варьировались внешние условия: величина и ориентация магнитного поля, электрическое напряжение, прикладываемое к образцу, а также частоты возбуждающего и регистрируемого излучения. По результатам экспериментов определены параметры тонкой структуры электронов и дырок в исследуемой системе и характерные времена релаксации спиновой когерентности.

Теоретические и экспериментальные исследования квантовых биений, обусловленных интерференцией когерентно возбужденных состояний, были начаты еще в начале 60-х годов прошлого века [1-3] . Исследования этого эффекта, выполненные на атомных парах, представляли в основном академический интерес и не получили в тот момент широкого распространения. В последние два десятилетия интерес к квантовым биениям резко возрос в связи с наблюдением биений в квантово-размерных полупроводниковых наноструктурах, рассматриваемых сейчас как наиболее перспективные материалы для электронной и вычислительной техники. Как показали результаты экспериментов [4-11], квантовые биения представляют собой мощный инструмент спектрального анализа, позволяющий определять тонкую структуру энергетических состояний, скрытую в неоднородно уширенном контуре оптического перехода. Более того, анализ затухания биений позволяет исследовать основные механизмы распада спиновой когерентности.

Первые эксперименты по наблюдению квантовых биений состояний тонкой структуры, расщепленных магнитным полем (зеемановское расщепление), в полупроводниках производились на квазидвумерных квантовых ямах [4-10] и объемных слоях ваЛв [11, 12]. В таких системах неоднородное уширение оптических переходов оказывается сопоставимым с зеемановским расщеплением в реально достижимых магнитных полях (несколько тесла), и результаты исследования квантовых биений в определенной степени дубли-

руют данные прямых спектроскопических измерений [13].

В полупроводниковых квазинульмерных объектах - квантовых точках (КТ) - величина неоднородного уширения, как правило, превышает на один-два десятичных порядка величину зееманов-ского расщепления. В таких объектах информация, полученная из экспериментов по квантовым биением, может оказаться уникальной. Именно этим, по-видимому, стимулировано наблюдаемое в последнее время резкое увеличение числа работ, посвященных исследованиям квантовых биений в КТ [14-22].

Особенностью квантовых точек является ограничение движения носителей по всем трем координатам. В результате этого квантовая точка имеет дискретную энергетическую структуру, т.е. является в определенном смысле аналогом атома или точнее - большой молекулы. Таким образом, эксперименты на квантовых точках перекликаются в идейном плане с пионерскими экспериментами на атомных парах. В настоящее время основным методом изготовления структур с КТ является метод Странски-Крастанова [23], основанный на самопроизвольной дискретизации тонкого слоя полупроводника, выращенного на массивном слое другого материала с большим рассогласованием по величине постоянных кристаллической решетки. Полученный таким способом ансамбль КТ характеризуется довольно большим разбросом по размерам точек, что и приводит к сильному неоднородному уширению оптических переходов в ансамбле. Помимо большого неоднородного уширения дополнительным

препятствием для наблюдения квантовых биений в таких структурах является тот факт, что КТ оказываются, как правило, электрически заряженными. Наличие неконтролируемого количества избыточных электронов существенно усложняет тонкую структуру уровней КТ, что приводит к практически полному исчезновению биений.

В настоящем сообщении мы приведем результаты исследования кинетики люминесценции КТ 1пР. Мы продемонстрируем, что, несмотря на исключительно большое (порядка 50 мэВ) неоднородное уширение оптического перехода, в люминесценции КТ может наблюдаться даже не один, а несколько типов квантовых биений при соответствующем выборе экспериментальных условий. Для полноты картины в рассмотрение будут включены не только последние результаты наших исследований, но и результаты, полученные нами ранее [17, 18, 20]. Анализ квантовых биений позволил получить новую и существенную информацию о тонкой структуре энергетических состояний и о спиновой динамике КТ 1пР.

2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследовались полупроводниковые гетеро-структуры, содержащие одиночный слой КТ 1пР, помещенный между барьерными слоями 1п05Оа05Р. Образцы выращивались на «-легированной подложке ваАв модифицированным методом молекулярной пучковой эпитаксии с использованием газовых молекулярных источников для Ав и Р. Для формирования КТ было нанесено 4 монослоя материала 1пР, после чего рост структуры был прерван на 20 с. Средний диаметр полученных КТ в плоскости слоя составлял примерно 40 нм, а высота была около 5 нм. Плотность распределения КТ в слое составляла 1010 см-2.

Поскольку КТ были выращены на легированной подложке, они исходно содержали определенное количество избыточных электронов. Для изменения зарядового состояния КТ в наших экспериментах использовалось отрицательное электрическое смещение, приложенное к внешней поверхности образца. С этой целью на поверхность наносился полупрозрачный электрод ШБпО (1ТО), образующий контакт Шоттки. Роль второго электрода играл омический контакт на задней поверхности образца. Как показали наши предыдущие исследования [17, 18], при приложении отрицательного смещения Ц/Ыа8 < -0.5 В, КТ становятся электрически нейтральными. При электрическом смещении Ц/Ыа8

-0.2 В заметная часть точек содержит по одному избыточному (резидентному) электрону, а при положительных смещениях большая часть точек оказывается заряженной отрицательно.

Люминесценция КТ возбуждалась излучением импульсного перестраиваемого Тьсапфирового лазера. Длительность возбуждающих импульсов составляла 2 пс, период повторения импульсов 80 МГц. Возбуждение осуществлялось непосредственно в пределах полосы люминесценции (квазирезонансное возбуждение). Регистрация люминесценции производилась с варьируемым длинноволновым (стоксовым) сдвигом по отношению к возбуждению, как это показано на вставке рис. 1. Кинетика люминесценции регистрировалась с временным разрешением 6 пс с помощью стрик-камеры в отдельных спектральных точках, выделявшихся двойным монохроматором с вычитанием дисперсии. Пример временной развертки импульса люминесценции показан на рис. 1.

Исследуемый образец помещался в криостат со сверхпроводящим соленоидом, позволявшим производить возбуждение люминесценции и ее наблюдение как в направлении, параллельном оси магнитного поля (конфигурация Фарадея), так и в направлении, перпендикулярном полю (конфигурация Фохта). Устройство криостата позволяло также поворачивать образец вокруг вертикальной оси, меняя тем самым угол между осью роста исследуемой структуры и осью магнитного поля. Вследствие большого показателя преломления (п

3.5) падающий на образец свет преломлялся и распространялся практически перпендикулярно слою КТ. Тем самым поворот образца сопровождался изменением угла между направлением возбуждения КТ и направлением магнитного поля. То же самое относится к люминесценции, которая, хотя и регистрировалась в направлении вдоль (геометрия Фарадея) или поперек (геометрия Фохта) магнитного поля, распространялась в образце преимущественно по нормали к поверхности.

3. КВАНТОВЫЕ БИЕНИЯ В НЕЙТРАЛЬНЫХ КТ

3.1. Биения в продольном магнитном поле (конфигурация Фарадея)

В этом разделе будут рассмотрены результаты экспериментов, проведенных в условиях, когда направления возбуждения и регистрации люминесценции совпадают с осью роста структуры, параллельной в данном случае оси магнитного поля (продольное поле). Квантовые биения в продольном магнитном поле - это тот вид спиновых биений, который наиболее активно изучался в полупроводниковых наноструктурах с квантовыми ямами [6, 10].

Поглощение КТ фотона сопровождается переводом электрона из валентной зоны в зону проводимости. В полупроводниковой терминологии такой процесс рассматривается как рождение пары

Рис. 1. Типичная форма импульса неполяризованной люминесценции КТ 1пР. На вставке - спектр люминесценции при нерезонансном возбуждении. Вертикальными стрелками показаны энергии возбуждающего кванта (Еехс) и кванта люминесценции (Ерь), горизонтальной стрелкой показана величина стоксова сдвига (АЕ^). На схеме справа показаны нижайшие энергетические уровни электрона и дырки в КТ и оптические переходы, соответствующие возбуждению (ехс) и люминесценции (РЬ).

носителей: положительно заряженной дырки в валентной зоне и электрона в зоне проводимости. Валентная зона полупроводников со структурой ваЛв формируется ^-состояниями атомов решетки, поэтому полный угловой момент ] дырки может принимать значения 1/2 и 3/2. Спин-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению дырочных состояний с разными значениями полного углового момента. Квантование движения носителей вдоль оси роста структуры (размерное квантование) приводит к дальнейшему расщеплению дырочных состояний с разными значениями проекций полного момента на ось квантования [24]. В результате нижайшими по энергии и наиболее активными при взаимодействии со светом оказываются состояния с проекцией момента на ось квантования = ±3/2 (состояния тяжелой дырки). Зона проводимости формируется ^-состояниями, и п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎