Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 3, с. 200-206 © 2015г. 10 февраля
Кинетика накопления при фотовозбуждении и релаксации избыточных дырок в мелких квантовых ямах СаАэ/АЮаАэ
М. В. Кочиев1\ В. А. Цветков, Н. Н. Сибельдин Физический институт им. Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия Поступила в редакцию 11 декабря 2014 г.
В мелких квантовых ямах (КЯ) СаАв/АЮаАв (ж = 0.05) методом фотолюминесценции изучены кинетики накопления и релаксации долгоживущих избыточных дырок, появляющихся в КЯ при над-барьерном фотовозбуждении, а также процессы установления стационарного состояния в неравновесной электронно-дырочной системе при различных комбинациях квазистационарных внутриямного и надбарьерного возбуждений. Обнаружено, что температурная зависимость времени релаксации (исчезновения) избыточных дырок из КЯ имеет активационный характер и определяется двумя энергиями активации. Установлено, что рассеяние экситонов, образующихся при нерезонансном внутриямном возбуждении, на долгоживущих дырках приводит к охлаждению экситонной системы.
БО!: 10.7868/80370274X15030108
Парциальный состав электронно-дырочной системы в квантовых ямах (КЯ) фотовозбужденных полупроводниковых наногетероструктур определяется наличием примесей (специально введенных или фоновых), энергией фотонов возбуждающего света и его интенсивностью. Если вследствие ионизации доноров (акцепторов) в барьерных слоях в КЯ имеются равновесные электроны (дырки) [1-6] или избыток носителей заряда какого-либо знака возникает в ней в результате фотовозбуждения структуры [7— 17], то при достаточно низких температурах в КЯ помимо обычных (нейтральных) экситонов образуются трехчастичные экситонные комплексы (трио-ны, или заряженные экситоны) - отрицательные при избытке электронов или положительные при избытке дырок. Таким образом, образование трионов, проявляющееся, в частности, в возникновении трионной линии в спектре фотолюминесценции (ФЛ), может служить индикатором наличия в КЯ свободных и локализованных на флуктуациях потенциала носителей заряда. Так, с использованием трионов было осуществлено зондирование двумерного электронного газа (2БЕС) в КЯ модуляционно легированных гетероструктур, позволившее измерить распределение электронной плотности в плоскости КЯ и зарегистрировать локализованные электроны [18-20], определить плотность 2БЕС и его спиновую поляризацию [21].
В настоящей работе люминесценция трионов использовалась как зонд для регистрации кинетики на-
Че-таП: kochievmv@mail.ru
копления в КЯ и релаксации (исчезновения) избытка долгоживущих дырок, возникающего в КЯ при надбарьерном фотовозбуждении структуры. В работе [17] нами было оценено время существования в КЯ долгоживущих дырок и продемонстрировано, что они играют ключевую роль в формировании экситон-трионной системы в КЯ и определяют не только ее парциальный состав, но и динамические свойства. Это время (~10мкс) на 4-5 порядков величины превышает времена жизни экситонов и трионов. Поэтому методы пикосекундной спектроскопии, использовавшиеся в [17] для исследования динамики экситон-трионной системы, не позволяли изучить кинетику процессов накопления в КЯ и релаксации долгоживущих дырок. В данной работе для исследования этих процессов использовалось "двухцветное" квазистационарное фотовозбуждение структуры световыми импульсами с длительностью, существенно превышающей время существования в КЯ долгоживущих дырок. Как и в [17], объектом исследования служили гетероструктуры СаАэ/АЮаАэ с мелкими квантовыми ямами.
В результате выполненных экспериментов получена температурная зависимость времени релаксации долгоживущих дырок. Установлено, что эта зависимость имеет активационный характер и описывается двумя энергиями активации, разность которых определяется изгибом зон, связанным с ионизацией акцепторов (фоновая примесь углерода) в барьерных слоях вследствие заселения дырками поверхностных состояний. Также показано, что при надбарьерном фотовозбуждении насыщения плотно-
сти трионов в КЯ не наступает даже при на два порядка больших уровнях возбуждения, чем тот уровень, при котором наступает насыщение концентрации избыточных дырок. Установлено, что рассеяние на долгоживущих дырках приводит к увеличению скорости релаксации экситонов, образующихся при нерезонансном внутриямном возбуждении, ко дну экситонной зоны.
Перейдем к описанию проведенных экспериментов. Использованная методика зондирования избыточных дырок в КЯ посредством регистрации ФЛ трионов основана на применении двух источников лазерного возбуждения структуры: одного - для создания в КЯ долгоживущих дырок (надбарьерное возбуждение), а второго - для образования в ней экситонов (внутриямное возбуждение), в результате связывания которых с дырками формируются трионы [11, 17]. На рис. 1 приведены спектры ФЛ
1
с
и
.3
Рч
РАВ Л
- ^АВ 0.2 Рш = 0
- ^АВ= 0.2 т\¥, Т...../ \
РШ = 1.6т¥ * 1
1 1 |/ 1 ^
1 /! ч
— /1 У, / 1 /'
1 |
/■** А 1 \
1 1 1 1 ...... 1
1.562
1.564 йу (еУ)
1.566
Рис.1. Спектры ФЛ КЯ шириной й = 4 им при надбарьерном (верхний), внутриямном (нижний) и комбинированном двухцветном (средний) возбуждении, Г = = 5 К. Средний спектр зарегистрирован через Змкс после одновременного выключения надбарьерного и включения внутриямного возбуждения. X - линии излучения экситонов, Т - трионов. Мощность надбарьерного возбуждения Ра в ~ 0.2 мВт, внутриямного Ргм к! 1.6 мВт. Штриховыми вертикальными прямыми выделен спектральный интервал, интегральная интенсивность люминесценции из которого регистрировалась при исследовании кинетики трионов
КЯ, полученные при квазистационарном надбарьер-ном, внутриямном и комбинированном возбуждении структуры. Видно, что при надбарьерном возбуждении (верхний спектр) в спектре присутствуют линии излучения экситонов (X) и трионов (Т). Наличие излучения трионов свидетельствует об избытке дырок
в КЯ. При внутриямном возбуждении в спектре наблюдается только линия экситонов (нижний спектр на рис. 1). Если одновременно выключить надбарьерное и включить внутриямное возбуждение, то экси-тоны и трионы, рожденные при надбарьерном возбуждении, быстро погибнут (их время жизни составляет менее 0.5 нс [17]). При этом долгоживущие избыточные дырки останутся в КЯ и будут связываться в трионы с экситонами, создаваемыми внутриям-ным возбуждением (средний спектр на рис. 1). Поскольку времена жизни экситонов и трионов много меньше времени релаксации дырок, при каждом значении плотности дырок р в системе успевает установиться квазистационарное состояние (динамическое равновесие), в котором скорость образования трионов 7пхр равна сумме скоростей их тепловой диссоциации и рекомбинации пт[(3(Т) + 1/тт] (здесь пх и ??т — концентрации, соответственно, экситонов и трионов, 7 - вероятность связывания экситонов и дырок в трионы, /3(Т) - вероятность тепловой диссоциации трионов при температуре Т и тт - время жизни трионов). Таким образом, ??т ос пхр, а при не слишком большой плотности трионов (??т "С пх) можно считать, что ??т ос р. Поэтому кинетика интенсивности линии люминесценции трионов при комбинированном возбуждении структуры отражает кинетическое поведение долгоживущих избыточных дырок.
Опыты проводились на номинально нелегированных структурах СаЛв/А!;).обСао.дбАв, содержащих две мелкие (т.е. имеющие по одному уровню размерного квантования для частиц каждого типа: электронов, тяжелых и легких дырок) туннельно изолированные КЯ шириной с1 = 3 и 4 нм, разделенные барьерным слоем АЮаАэ толщиной 60 нм. Барьерные слои, отделяющие ямы от буферного (толщиной 1 мкм) и защитного (5 нм) слоев СаАэ, имели ширину 100 нм. Замечательной особенностью этих структур является отсутствие темновых (равновесных) носителей заряда в КЯ. Дело в том, что энергетический уровень акцепторных атомов углерода (основная фоновая примесь в структурах, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии; ее энергия ионизации равна « 26мэВ) в барьерных слоях лежит по энергии, отсчитанной от потолка валентной зоны в барьерах, ниже уровней размерного квантования тяжелых дырок в КЯ (их энергии по величине равны 17 и 13мэВ в ямах шириной с1 = 4 и Знм [22, 23]). Благодаря отсутствию темновых носителей в спектре ФЛ исследованных структур при внутриямном возбуждении фотонами с энергиями, не слишком близкими к ширине запрещенной зоны в барьерных слоях (Ед « 1.60 эВ), видна только линия излучения
экситонов (рис. 1, нижний спектр). Результаты экспериментального и теоретического исследования эк-ситонных спектров и трионов при различных условиях опыта в этих структурах приведены в работах [И, 22].
Для надбарьерного возбуждения структуры использовалось излучение полупроводникового лазера с длиной волны Л = 0.66 мкм, генерировавшего периодическую последовательность прямоугольных световых импульсов с частотой 10 кГц и скважностью 2. Внутриямное возбуждение осуществлялось излучением перестраиваемого титан-сапфирового лазера непрерывного действия, излучение которого прерывалось с такими же частотой и скважностью, но в противофазе с надбарьерным возбуждением, с помощью электрооптического модулятора. Длительность фронтов световых импульсов в обоих случаях была меньше временного разрешения системы регистрации ФЛ структуры. Излучение обоих лазеров фокусировалось в одно и то же место на фронтальной поверхности структуры в пятно диаметром «0.5 мм под углом около 60° к нормали. Рекомбинационное излучение структуры регистрировалось в геометрии на отражение в направлении, нормальном к ее поверхности. Оно собиралось с помощью линзы, которая фокусировала его на входную щель спектрометра, сопряженного со стрик-камерой с модулем одиночной развертки. В такой конфигурации стрик-камера позволяла регистрировать спектрально-кинетические характеристики люминесценции на временах вплоть до миллисекундного масштаба. Временное разрешение установки составляло 0.5 мкс при измерении в диапазоне 20 мкс, спектральное - 0.4 мэВ. При выделении спектров люминесценции, отвечающих каждому заданному моменту времени, из спектрально-временного распределения интенсивности излучения, зарегистрированного стрик-камерой,
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.