Введение к работе
Актуальность темы.
Впервые полупроводниковые гетероструктуры как новый объект были предложены Есаки и Тсу в 1970 году [1]. В течение последующих лет прогресс в технологии позволил на практике реализовать на базе III-V и II-VI полупроводниковых соединении высококачественные образцы, содержащие квантовые ямы, гетеропереходы и сверхрешеткп.
В гетероструктурах благодаря разнице в ширине запрещенной зоны двух полупроводниковых материалов возникает потенциальный барьер, ограничивающий движение носителей заряда в перпендикулярном к плоскости перехода направлении. В результате система становится ква-зпдвумерной (2D) с энергетическим спектром, состоящим из совокупности зон размерного квантования. Одним из важнейших примеров полупроводниковых гетероструктур являются квантовые ямы (КЯ). В них реализовано размерное ограничение носителей в тонком (до нескольких постоянных кристаллической решетки) слое узкозонного полупроводника, помещенного между двумя слоями веществ с широкими запрещенными зонами. В III-V гетероструктурах наинизшая по энергии особенность в спектре поглощения КЯ соответствует экситону, образованному из электрона и тяжелой дырки с нижайших размерноквантованных подзон. Благодаря большей (по сравнению с трехмерным (3D) случаем) энергии связи и силе осциллятора экситоны в КЯ наблюдаются даже при комнатной температуре. Последнее позволяет использование КЯ в многочисленных прикладных разработках. При этом качество полупроводникового прибора, его характеристики напрямую связаны со структурным совершенством кристалла, которое в случае КЯ может быть оценено при исследовании механизмов релаксации, рассеяния и излучательной рекомбинации электрон-дырочной системы. Поэтому, кроме фундаментального характера изучения процессов в условиях пониженной размерности, изучение 2D электрон-дырочных систем ведется также и в поисках оптимального варианта структуры для последующей прикладной реализации.
В последние годы движение в сторону миниатюризации и повышения быстродействия интегрированных электронных схем стимулировало огромные усилия исследователей во всем мире. Однако, миниатюризация и высокое быстродействие электронных схем приводит к недопустимо высоким уровням диссппащш энергии. В попытке отыскать дальнейшие пути развития ученые все чаще обращаются в своих исследованиях к све-
ту (вместо электронов) как носителю информации. Это связано с рядом преимуществ фотонов перед электронами: более высокая скорость распространения в веществе, больший объем переносимой в единицу времени информации, меньшая чувствительность к различного рода взаимодействиям. В этой связи является актуальным изучение оптических свойств объектов, на основе которых разрабатываются элементы новых информационных сетей.
Одним из таких объектов является полупроводниковый микрорезонатор (MP), который так же, как и КЯ, можно отнести к классу полупроводниковых гетероструктур. В MP с помощью двух диэлектрических брэгговсих зеркал (состоящих из чередующихся А/4 слоев веществ с большой разницей показателей преломления) реализовано размерное ограничение света в рабочем теле резонатора, которое ведет к высокой спектральной и пространственной концентрации энергии резонаторной оптической моды. Помещая активную среду в пучность электромагнитного поля между зеркалами, можно добиться высокой степени смешивания спонтанного излучения вещества среды с резонаторной модой, что позволяет реализовать на основе полупроводниковых MP лазеры с очень низким пороговым значением инжекпионного тока, отвечающим переходу к стимулированному излучению.
Микрорезонаторы с квантовыми ямами в активном слое представляют также большой интерес и для фундаментальных исследований. Экситон-фотонное взаимодействие в MP сильно модифицирует оптические свойства электрон-дырочной (ЭД) системы. В отличие от объемных кристаллов, где впервые были обнаружены смешанные экситон-фотонные состояния, в микрорезонаторах благодаря низкоразмерному характеру поляри-тонных состояний наблюдаются гигантские величины расщеплений Раби (до 20 мэВ для И-VI структур). Короткое собственное время жизни ми-крорезонаторных поляритонов, связанное с нарушением трансляционной симметрии (в направлении, перпендикулярном плоскостям зеркал и КЯ), приводит к высокой интенсивности поляритонных пиков в спектрах люминесценции и отражения. Это позволяет проводить экспериментальное изучение процессов взаимодействия вещества и электромагнитного поля с помощью стандартных оптических методик.
Целью настоящей диссертационной работы является экспериментальное изучение влияния экситон-экситонного, экситон-электронного и экситон-фотонного взаимодействий на релаксацию, время жизни и дис-
Персию экситонных и поляритонных состояний в свободных полуровод-никовых квантовых ямах и в квантовых ямах, помещенных внутри пла-нарных и одномерных резонаторов.
Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:
-
Исследована зависимость однородной ширины экситонного перехода и времени жизни экситонов в GaAs/InGaAs КЯ от плотности фотовозбужденных носителей. Найдено, что при малых плотностях возбуждения тепловая ионизация экситонов приводит к сильному увеличению времени жизни электрон-дырочной системы. С увеличением плотности возбуждения экситон-экситонные и экситон-электронные взаимодействия приводят к уширенпю экситонных переходов. В работе определен вклад в ширину линии от электрон-электронных столкновений при азотной температуре. Проанализировано изменение времени жизни в области перехода экситон-электрон-дырочная плазма.
-
Изучение угловой зависимости ФЛ и ВФЛ поляритонов в микро-резонаторе с одиночной InGaAs КЯ в режиме сильного экситон-фотонного взаимодействия показало, что поглощение в фотоноподоб-ной моде слабо зависит от к, в то время как поглощенпе в экспто-ноподобнои моде сильно ослабляется после прохождения точки ан-тнкроссинга. Показано, что такое поведение связано с уменьшением подмешивания фотоноподобной моды в состояния экситоноподобной ветви поляритонной дисперсии.
Найдено, что эффективность рассеяния резонасно фотовозбужденных резонаторных поляритонов в фотонное состояние с к = 0 практически не зависит от волнового вектора полярптона. Такое поведение не описывается в рамках модели поляритон-фононного рассеяния и может быть объяснено только релаксацией через состояния локализованных экситонов.
3. В полупроводниковых микрорезонаторах с латеральным ограниче
нием света в одном направлении (фотонных проводах) происхо
дит квантование резонаторной моды. Дисперсия сохраняется только
вдоль оси провода. Угловое распределение излучения в плоскости,
перпендикулярной оси провода изменяется от моды к моде в соот
ветствие с изменением волновой функции моды в фотонном проводе.
4. При малых плотностях возбуждения в фотонных проводах экситон-фотонное взаимодействие достаточно велико и приводит к образованию резонаторних поляритонов. Найдено, что флуктуации случайного потенциала в КЯ слабо влияют на дисперсию поляритонов. Показано, что поляритоны в микрорезонаторах образуются через когерентные коллективные экситонные состояния, индуцированные световым электромагнитным полем. Время дефазировки таких состояний заметно превышает период Раби-осцилляций. При увеличении плотности возбуждения экранировка экситонных состояний и укорачивание времени дефазировки приводят к подавлению режима сильного экситон-фотонного взаимодействия.
Научная и практическая ценность работы
-
Впервые количественно исследована роль межчастичного взаимодействия в процессах излучательной рекомбинации в GaAs КЯ в условиях равновесной экситон-ЭД системы.
-
Впервые было проведено исследование релаксации поляритонов в полупроводниковых микрорезонаторах. Экспериментальные данные были получены из анализа угловой зависимости спектров возбуждения люминесценции.
-
Впервые на основе планарных микрорезонаторов с помощью ионного травления были реализованы микрорезонаторы с 2D ограничением света. Из анализа угловой зависимости спектров люминесценции при высокой плотности возбуждения была получена структура одномерных фотонных состояний. При низкой плотности возбуждения была исследована дисперсия одномерных микрорезонаторных поляритонов. Был исследован переход от режима слабого к режиму сильного экситон-фотонного взаимодействия при уменьшении плотности возбуждения.
Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на следующих конференциях
-
XXXIX Конференция МФТИ (Москва, 1996)
-
"Optics of Excitons in Confined Systems", OECS-5, (Gottingen, Germany, 1997)
-
Ill Всероссийская конференция по физике полупроводников, "Полупроводники '97", (Москва, 1997)
-
International Conference on Semiconductor Physics, ICPS24, (Jerusalem, Israel, 1998)
Личный вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторстве, состоял в постановке задач, разработке методик, проведении экспериментов, численном моделировании и интерпретации результатов исследований.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.