Письма в ЖЭТФ, том 94, вып. 11, с.877-883
© 2011г. 10 декабря
Электрооптическая ловушка для диполярных экситонов в СаАв/А1А8 диоде Шоттки с одиночной квантовой ямой
А. В. Горбунов, В. Б. Тимофеев, Д. А. Демин* Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Россия * Московский физико-технический институт, 141 700 Долгопрудный, Россия Поступила в редакцию 31 октября 2011 г.
В СаАз/А1Аз диоде Шоттки с одиночной СаЛк квантовой ямой шириной 400 А реализована электрооптическая ловушка для пространственно-непрямых диполярных экситонов. В условиях приложенного к затвору напряжения смещения ловушка для экситонов возникала при кольцевом освещении структуры непрерывным либо импульсным лазером, генерирующим горячие электронно-дырочные пары в квантовой яме. Барьер для экситонов, накапливаемых внутри освещаемого кольца, возникал вследствие экранирования приложенного электрического поля неравновесными носителями непосредственно в области возбуждения. Экситоны накапливались внутри кольца за счет амбиполярного дрейфа носителей и диполь-дипольного экситонного отталкивания в области оптической накачки. Для накапливаемых таким образом диполярных экситонов в середине кольцевой электрооптической ловушки наблюдалось существенное сужение линии люминесценции с ростом плотности возбуждения, указывающее на их коллективное поведение.
1. Ранее сообщалось о наблюдении бозе-конден-сации пространственно-непрямых диполярных экситонов, которые в условиях фотовозбуждения накапливались в кольцевых электростатических ловушках вблизи периметра окон в металлическом затворе Шоттки в СаАз/АЮаАв гетероструктурах с двойной или одиночной квантовой ямой при приложенном электрическом смещении [1-4]. В таком типе ловушек при оптимальных напряжениях смещения, когда еще удается скомпенсировать избыточные заряды и поддерживать систему электрически нейтральной [2, 5], времена жизни диполярных экситонов оставались слишком короткими, около 1нс [6]. Поэтому исследуемый экситонный газ не успевал остывать до решеточных температур (в этих экспериментах температура решетки находилась вблизи 1.6К). Помимо этого, экситоны в данном случае накапливались непосредственно в "горячей" области фотовозбуждения, что сопровождалось несомненным разогревом неравновесной электронной системы. В результате экситонный бозе-конденсат в таких ловушках и при таком способе фотовозбуждения оказывался сильно обедненным, а узкая линия люминесценции экситонного конденсата, вырастающая с накачкой пороговым образом, всего лишь вдвое превышала интенсивность фона, связанного с локализованными состояниями и собственно надконденсатными возбуждениями. В данном сообщении предлагается вести работу с
Че-таП: gorbunoveissp.ac.ru
электрооптической ловушкой, в которой диполярные экситоны накапливаются в холодной области структуры, вдали от места фотовозбуждения, а времена жизни экситонов составляют десятки наносекунд и на два порядка как минимум превосходят времена энергетической релаксации диполярных экситонов на фононах [7]. Мы представим наши наблюдения поведения диполярных экситонов, накапливаемых в таких ловушках.
Принцип действия электрооптической ловушки для экситонов нетрудно понять, используя достаточное по мощности и подходящее по спектральной области лазерное фотовозбуждение в форме кольца, проецируемого на поверхность гетероструктуры. Непосредственно в кольцевой области фотовозбуждения генерируемые светом электронно-дырочные пары экранируют приложенное электрическое поле. В результате здесь величина штарковского сдвига для состояний диполярных экситонов уменьшается, что приводит к возникновению латерального потенциального барьера для таких экситонов. Само же электрическое поле в области кольцевого по форме фотовозбуждения становится сильно неоднородным, и латеральная компонента этого неоднородного поля приводит к амбиполярному дрейфу носителей в плоскости квантовой ямы. В конечном итоге амбиполярный дрейф носителей и диполь-дипольное отталкивание приводят к накоплению диполярных экситонов в центральной неосвещенной части кольца, которая является холодной областью.
Ранее уже было продемонстрировано [8, 9], что использование кольцевого по форме лазерного возбуждения на поверхности структуры с двойной квантовой ямой (ДКЯ) GaAs/AlGaAs позволяет накапливать в центре кольца пространственно-непрямые экситоны, температура которых близка к температуре решетки. Однако известно, что структуры с ДКЯ, которые содержат туннельно-прозрачный AlGaAs межъямный барьер, являющийся источником флуктуаций случайного потенциала, по своему качеству существенно уступают структуре с широкой одиночной квантовой ямой, в которой спектральная ширина линии люминесценции прямого экс Итона может быть почти на порядок уже: 0.15-0.20 мэВ вместо 1.0-1.5 мэВ [2, 5] в случае ДКЯ.
В данной работе электрооптическая ловушка для пространственно-непрямых экситонов реализована на структуре с одиночной квантовой ямой GaAs/AlAs шириной 400 А.
2. Исследуемая структура представляет собой квантовую яму GaAs шириной 400 А, заключенную между барьерными слоями AlAs толщиной по 2000 А. Нижним затвором служит легированный кремнием слой GaAs толщиной 1000 А, а верхним-затвор Шот-тки (полупрозрачная пленка Au/Cr толщиной 150 А). Расстояние между затворами 0.46 мкм.
Образец помещался в гелиевый оптический крио-стат, конструкция которого позволяет с помощью микроскопного объектива с числовой апертурой N.A. = 0.28 и свободным рабочим отрезком 33.5 мм получать при температуре Т = 1.6 К пространственное разрешение >1.5 мкм для света с длиной волны А > 800 нм. Увеличенное изображение поверхности образца проецировалось с помощью оптической системы на входную щель спектрометра с охлаждаемой кремниевой CCD-камерой. Использование спектрометра, передающего изображение из плоскости входной щели в плоскость выходной щели без искажений (imaging spectrometer), давало возможность: а) регистрировать в нулевом порядке дифракционной решетки изображение образца в различных областях спектра, применяя узкополосные интерференционные светофильтры; б) регистрировать спектры люминесценции с пространственным разрешением вдоль спектральной щели.
Для возбуждения фотолюминесценции использовались непрерывные одномодовые полупроводниковые лазеры с длинами волн А = 405 нм (надбарьерное возбуждение: энергия фотона больше ширины запрещенной зоны в барьере AlAs) и А = 658 нм (подбарь-ерное возбуждение). Их излучение фокусировалось на поверхности образца либо в однородное пятно раз-
мером около 20 мкм, либо в кольцо тем же самым объективом, который использовался для сбора света люминесценции. Для формирования кольцевого пятна лазерный пучок пропускался через маску-трафарет (непрозрачная пленка Аи/Сг на стеклянной подложке) с набором кольцевых отверстий разных размеров. Изображение одного из отверстий проецировалось на поверхность образца так, чтобы диаметр кольца составлял от 20 до 40 мкм.
Исследование кинетики фотолюминесценции производилось при помощи преобразователя время-амплитуда. В качестве источников фотовозбуждения применялись импульсные полупроводниковые лазеры: а) подбарьерный (А = 659 нм, длительность импульса Ьр = 200 пс); б) надбарьерный (А = 405нм, Ьр = 80 пс). Для детектирования использовался кремниевый лавинный фотодиод в режиме счета фотонов, на приемную площадку которого фокусировался свет фотолюминесценции от образца, прошедший через монохроматор. Временное разрешение системы составляло и 0.4 не. Кинетику рекомбинации можно было контролировать с пространственным разрешением, используя дополнительную щель в плоскости промежуточного изображения образца и проецируя на входную щель спектрометра различные участки из области люминесценции.
3. Эволюция спектра люминесценции из квантовой ямы под действием внешнего электрического поля была исследована как при непрерывном, так и при импульсном фотовозбуждении. Общие закономерности оказались следующими. В спектрах доминирует узкая линия экситонной люминесценции, ширина которой в режиме плоских зон (напряженность электрического поля Р ~ 0) не превышает 0.6-0.7 мэВ. С увеличением электрического поля эта линия сдвигается в сторону малых энергий. При этом ширина ее возрастает до <1.5мэВ, но площадь под ней практически не меняется вплоть до Р < 20кВ/см. При более высоких полях интенсивность линии быстро падает, а ширина растет, так что при Р > ЗОкВ/см спектральный вес уменьшается на порядок. На рис. 1а приведена серия спектров фотолюминесценции для различной напряженности электрического поля при использовании импульсного надбарьерного лазера. Видно, что в случае надбарьерного возбуждения при напряженности 0 15кВ/см наблюдаются две линии, расстоя-
ние по энергии между которыми монотонно возрастает с полем от 1 до ЗмэВ. При малых полях доминирует низкоэнергетичная "красная" компонента, но доля высокоэнергетичной "синей" постепенно растет: к ^ < 10кВ/см она становится основной, а
§
1
£ е
и
^ (кУ/еш)
1.48 1.50
Е (еУ)
1.52
^100
-10
-1
10 20 ^ (кУ/еш)
Рис.1. Влияние внешнего электрического поля на спектры фотолюминесценции в квантовой яме СаАз/АЬАв шириной 400 А. (а) Серия спектров при различной напряженности приложенного электрического поля Р (кольцевое пятно 0 20 мкм от импульсного надбарьер-ного лазера: А = 405 нм, £р = 80 пс, /р = 10 МГц, Р = 2мкВт). (Ь) Энергетическое положение линии непрямого экситона при подбарьерном (квадраты) и над-барьерном (кружки) фотовозбуждении, а также время излучательной рекомбинации ту (ромбы) (подбарьер-ный лазер, однородное пятно) в зависимости от напряженности поля Р
при Р > 15кВ/см "красная" линия полностью исчезает. При малых электрических полях со стороны высоких энергий можно видеть две слабые линии, отстоящие от основной на 1.8 и 3.3 мэВ (при непрерывном надбарьерном возбуждении эти линии отсутствуют). Широкая полоса люминесценции с максимумом вблизи 1.49 эВ, заметная при ^ > 0, имеет примесную природу и не сдвигается при изменении электрического поля.
Энергетическое положение Е линии экситонной люминесценции в зависимости от электрического поля показано
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.