Лазерная спектроскопия и когерентная оптическая динамика 2D-экситонных зеркал на основе AlGaAs структур с изолированными GaAs квантовыми ямами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ООЗАаю^ ^¡[(рА'

Полтавцев Сергей Владимирович

ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ И КОГЕРЕНТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА 2Б-ЭКСИТОННЫХ ЗЕРКАЛ НА ОСНОВЕ АЮаАэ СТРУКТУР С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ваАз КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1 1 ?ПЮ

2009

003491632

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный руководитель: кандидат физико-математических нау]

доце!

Чижов Юрий Владимиров!

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических нау:

профессс Агекян Вадим Фадеев!

доктор физико-математических нау старший научный сотрудш-Кочерешко Владимир Петров!:

Ведущая организация: Санкт-Петербургский физико-технологически

научно-образовательный центр РА

Защита состоится _ _IS 9-ёро*Я_ _ 2010 г. в . на засед

нии совета Д 212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаци при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 19850 Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская 1, конференц-зал НИИ Физик им. В.А. Фока.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького СПбГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, проси направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационно! совета.

Автореферат разослан .

11 20 Ш г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

профессор А.В. Лез(

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию механизмов релаксации когерентности резонансных квазидвумерных (2Б) экситонов в высококачественных эпитаксиалъных СаАя/АЮаАв гетероструктурах с одиночными СаАй квантовыми ямами.

Актуальность проблемы

Полупроводниковые гетероструктуры с ваАя квантовыми ямами обладают уникальными оптическими свойствами, которые определяются в основном высокой эффективностью взаимодействия 20 экситонной подсистемы со светом. Современный уровень методики эпитакешалыюго выращивания таких наноструктур позволяет получать образцы высочайшего качества. Благодаря этому подобные наноструктуры имеют потенциальную возможность применения в качестве рабочих сред для логических элементов, способных бездиссипатив-но производить вычисления чисто оптическим образом [1,2].

Выступая в качестве кандидата на оптически управляемый переключатель, квантовая яма должна обладать высокой эффективностью переноса когерентности в процессах фотон-экситонного взаимопревращения. Эта эффективность ограничивается действием механизмов фазовой релаксации 2Б экситонов, обусловленных их взаимодействием с окружением. Для того чтобы изучать эти механизмы, необходимо иметь методы, использующие когерентность возбуждающего изучения.

Основанные на наблюдении резонансного экситонного отражения и резонансного рэлеевского рассеяния методы, описанные в данной работе, могут быть эффективно использованы при изучении когерентных оптических свойств СаАя/АЮаАя гетероструктур, имеющих квантовые ямы высокого качества. В частности, с их помощью удается измерить: полную ширину спектрального контура экситонной линии поглощения, радиационную ширину, величины однородного и неоднородного уширений, степень локализации экситонов в квантовой яме. Описанный в работе метод измерения скорости радиационной дефалировки свободных экситонов в одиночных СаАя квантовых ямах является практически единственным существующим из простых и надежных методов определения этой величины.

Цель и задачи работы

Целью настоящей работы является: исследование механизмов фазовой релаксации 2Б экситопов в высококачественных одиночных Си Л.я квантовых ямах, действующих в режимах слабого, интенсивного, резонансного и нерезонансного оптического возбуждения и обусловливающих уширение резонансной линии экситонного поглощения. Изучение свойств процессов радиационной де-фазировки свободных и локализованных 2Т) экситопов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1) Разработать методику измерения формы спектра резонансного экситонного поглощения одиночных СаАя квантовых ям, основанную на использовании когерентности возбуждающего излучения и позволяющую варьировать спектр и уровень оптического возбуждения в достаточно широком диапазоне.

2) Исследовать процессы фазовой релаксации 21) экситопов, действующие в высококачественных одиночных ваАя квантовых ямах в режиме слабого оптического возбуждения. Изучить зависимость удельной силы осциллятора экситонного перехода от температуры и толщины квантовой ямы.

3) Исследовать радиационные свойства локализованных экситопов в высококачественных одиночных СаЛз квантовых ямах и оценить характерные масштабы областей локализации 2В экситонов.

4) Исследовать процессы дефазировки экситонов, возникающие в высококачественных ваАя квантовых ямах в режиме интенсивного оптического возбуждения, когда происходят изменения формы контура экситонной линии в спектре поглощения. Изучить временные и температурные свойства этих процессов. Изучить поведение удельной силы осциллятора экситонного перехода в режиме интенсивного оптического возбуждения квантовых ям.

Научная новизна и практическая ценность

Впервые были получены следующие результаты:

1) На основе спектроскопии резонансного экситонного отражения разработан метод измерения скорости радиационной дефазировки свободных экситонов в одиночных СаАя квантовых ямах. Получена зависимость этой величины от толщины квантовой ямы. Показано, что удельная сила осциллятора экситонного перехода не зависит от температуры в диапазоне 8 ч- 90 К.

2) С помощью температурных измерений спектров резонансного экситон-ного отражения получены величины однородного и неоднородною уширений контура резонансной экситоиной линии.

3) С помощью оригинальной автокорреляционной техники с высоким временным разрешением зарегистрировано временное затухание свободной экситонной индукции.

4) Измерена радиационная скорость спонтанного излучения локализованных 2Б экситонов. На основе полученных данных, произведена оценка характерных размеров областей локализации 2Б экситонов.

5) Зарегистрирован немонотонный ход зависимости уширения экситонной линии от интенсивности резонансного возбуждения при Т = 8 К. Показано, что в этом режиме большую роль играют процессы дефазировкн 2Б экситонов, отличные от экситон-экситонного рассеяния, а также от рассеяния экситонов на носителях заряда. Эти процессы имеют гигантские времена выхода в стационарный режим, лежащие в диапазоне 10'5н-101 с. Обнаружено явление бистабильности сигнала резонансного экситошшго отражения. Зарегистрирована температурная аномалия фазовой релаксации экситонов в одиночных ваАя квантовых ямах.

6) Введен универсальный фактор качества для гетероструктур с одиночными СаАя квантовыми ямами, выражающий меру эффективности работы гетероструктуры как резонансного экситонного зеркала.

Результаты работы могут быть использованы при исследовании когерентных оптических свойств эпитаксиальных ОаАя/АЮаАя гетероструктур с ОаАя квантовыми ямами. Описанные в работе методы позволяют изучать процессы фазовой релаксации 2Б экситонов в зависимости от широкого класса внешних воздействий на квантовую яму. Измеренная зависимость скорости радиационной дефазировки свободных экситонов от толщины ваАя квантовой ямы может выступать в качестве справочного материала. Понятие фактора качества экситонного зеркала может быть использовано при разработке оптических приборов на основе эпитаксиальных СаАй/АЮаАя гетероструктур, работающих в режиме управляемого резонансного отражателя света.

Защищаемые научные положения

1. Измерение спектров зеркального отражения от АЮаЛя гетероструктур одиночными ОаА.ч квантовыми ямами в геометрии Брюстера позволяет с хорошей точностью получить форму спектра поглощения в районе экситонно-го резонанса. По параметрам контура линии экситонного отражения можн определить полную скорость фазовой релаксации 20 экситонов и скорост радиационной дефазировки свободных 21) экситонов.

2. Зависимость скорости радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов от толщины квантовой ямы удовлетворяет гиперболическому поведению в соответствии с теоретической моделью Грюндмана и Бимберга. Измерение спектров резонансного отражения как функции температуры позволяет определить температурную зависимость скорости радиационной дефазировки свободных 2В экситонов, а также найти значения однородного и неоднородного уширений линии экситонного резонанса. При этом скорость радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов оказывается независящей от температуры в диапазоне 8 -т- 90К.

3. Существенную дополнительную информацию о процессах фазовой релаксации 2Б экситонов дает изучение резонансного рэлеевского рассеяния на квантовых ямах. Определенные с помощью температурных измерений резонансного рэлеевского рассеяния величины скорости спонтанного излучения 2Б экситонов, локализованных на неоднородностях квантующего потенциала, оказываются сопоставимыми со значениями скорости радиационной дефазировки свободных 2В экситонов.

4. Интенсивное резонансное возбуждение высококачественных одиночных СаАя квантовых ям при низкой температуре приводит к изменению формы контура линии экситонного резонанса, при этом суммарная сила осциллятора экситонного перехода сохраняется. Изменения формы контура, вызванные оптической накачкой, обусловлены дополнительной фазовой релаксацией 2Б экситонов, связанной с рассеянием на фоторожденных центрах.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях: "VI всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике", СП6ГПУ, 2004; "VII всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике", СПбГПУ, 2005; "9th Conference on the Optics of Excitons in Confined Systems", University of Southampton, UK, 2005; "The 9th International Workshop on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors", University of Rostock, Germany, 2008.

Также работа была представлена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе на "Низкоразмерном семинаре".

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах. Значительная часть результатов работы изложена в одном учебно-методическом пособии.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитированной литературы из 67 наименований, содержит 13G страниц машинописного текста, включая 44 рисунка и 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность и перспективность темы исследования, сформулированы цеди работы, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава работы посвящена обзору методов исследования оптических свойств экеитонов в GaAs квантовых ямах. Представлены особенности методов, основанных на изучении фотолюминесценции, резонансного рэле-евского рассеяния, а также методов, использующих нелинейные оптические свойства 2D экеитонов. Рассмотрен вопрос применимости этих методов к изучению процессов релаксации когерентности экеитонов в GaAs квантовых ямах. Приведен обзор наиболее интересных публикаций по тематике диссертации. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе изложена полу классическая линейная теория резонансного рассеяния света тонким слоем среды, состоящей из двухуровневых осцилляторов. Эта теория, разработанная М. Бенедиктом и Е. Трифоновым [3], используется в работе при анализе результатов измерений резонансного отражения от одиночных GaAs квантовых ям. Подробно рассмотрены принципы спектроскопии резонансного экситонного отражения от квантовых ям в геометрии Брюстера. Эта техника является основной в наших экспериментах.

Типичный спектр экситонного отражения, получаемый нами на высококачественных GaAs квантовых ямах, представлен на рис. 1. Контур экси-тонной линии хорошо подгоняется кривой Лоренца, что позволяет проводить анализ спектров на языке скоростей фазовой релаксации 2D экситонов Г'1'. Основными параметрами спектральных контуров является ширина 2Г и амплитуда КШ1, измеренная как стационарный коэффициент отражения монохроматического излучения с резонансной частотой. В рамках используемой модели удается вычислить скорость радиационной дефазировки свободных 2D экситонов Гл с помощью соотношения: Krr = Гд/Г2. При этом полная, скорости,ь фазовой релаксации 2D экситонов Г = Гд + Г 2 + Г2, где Г2 - скорость необратимой фазовой релаксации (температурное однородное уширение), Г2 - скорость обрат,имой фазовой релаксации (неоднородное уширение).

В данной главе введено понятие фактора качества гетероструктуры с одиночной GaAs квантовой ямой: F = \¡Krr. Эта величина однозначно характеризует качество квантовой ямы, работающей как жсит,ониое зеркало, и описывает эффективность процесса переноса когерентности от излучения к 2D экситонпой подсистеме и обратно, - от 2D экситонов к излучению.

0.08-

5" 0.04

-В-

■е

1.541 1.542

Энергия, eV

1.543

Рис. 1, Спектр резонансного отражения ОаАя квантовой ямы толщиной 12 нм (толстая кривая); спектры отражения монохроматического излучения (тонкие кривые); лоренцев контур (пунктир).

В третьей главе описаны линейные эксперименты по изучению механизмов фазовой релаксации 2Б экси-тонов при слабом оптическом возбуждении одиночных СаАя квантовых ям.

С помощью спектрофотометриче-ских измерений резонансного экситон-ного отражения на ряде высококачественных образцов получена зависимость Гд от толщины СаАя квантовой ямы Ьг в диапазоне 9.1 ч- 30 нм (рис. 2). Экспериментальные точки удовлетворительно описываются зависимостью Гд ~ Ъд1, теоретически полученной Грундманом и Бимбергом [4].

На наиболее качественном образце (Е296) измерена зависимость спектра экситонного отражения от температуры в диапазоне 8-^90 К. Поведение полуширины экситонной линии Г и резонансного коэффициента отражения К ни с ростом Т показаны на рис. 3. При этом йГд = 45.5 мкэВ ±1%, т.е. удельная сила осциллятора экситонного перехода с высокой точностью не зависит от Т. Это позволяет вычислить однородное и неоднородное уширения. Температурное поведение скорости необратимой фазовой релаксации 2Б экситонов Г2 превосходно описывается теоретической зависимостью, предложенной Дж. Ли и др. [5], которая учитывает взаимодействие экситонов с акустическими и оптическими фононами: Г2 (Т) = 7асТ + Тьо/[ехр(шьо/квТ) — 1]. Результирующие значения параметров подгонки следующие: ?17ас = 0.89 ±0.04 мкэВ/'К, КТьо » 2 мэВ, Пи>ьо/кв яв 300 К.

70

® 60 Ы

2 20

&

5 40

30 20 10

1 1 1 I 1 1 » 1 I 1 р;-Е29в [7: - РЭ87 ОУ\Л [Э; - РЗЙ7 <МЗ (Т-70К) [41- .Р343 QW1 чГ21 ГС1 [5;,[61-Р343 от

■ • -1Ь| [Г, [е|, [9]. рд20 ом

[10] [10] - Р420 ОУУ2

[1 ^ ] - 3

-•1-1-[Щ ш

го

ц, нм

Рис. 2. Зависимость Гд от Ьг (квадраты); стандартные отклонения (отрезки). Пунктир - подгонка вида КГц = с ■ Ь^1, где с = 700 мкэВ/нм.

Температура, К

Рис. 3. Температурная зависимость величин Г (квадраты), Кцц (треугольники), Гд (кружки), Г2 (толстая кривая), Г^ (штрихпунктир).

На образце Е296 было измерено временное поведение сигнала затухания свободной эк-ситонной индукции с помощью оригинальной автокорреляционной методики на основе интерферометра Маха-Цендера с СаЛя/АЮаАя гетерострукту-

рой вместо зеркала в одном из РИС. 4. Временное поведение сигнала затухания его плпч_ }]а рп(. 4 приведен

(„, пс

свободной экситопной индукции (тонкая сплошная кривая). Фурье-преобразование от спектра резонансного экситонного отражения (толстая сплошная кривая). Экспоненциальный распад (пунктир).

результат измерения в виде зависимости измеряемого сигнала I, пропорционального амплитуде отраженного поля, от времени задержки между опорными и сигнальными импульсами Его временное поведение хорошо описывается экспоненциальным затуханием с постоянной времени Трцз = 4.3 ±0.1 пс и превосходно согласуется со спектроскопическими данными, представленными на рисунке в виде Фурье-преобразования от спектра резонансного экситонного отражения.

Четвертая глава содержит описание экспериментов по стационарному резонансному рэлеевскому рассеянию на одиночных СаАя квантовых ямах. Упруго рассеянное излучение, собираемое в направлениях, отличных от направления отражения, несет важную информацию о локализации экситонов в квантовой яме. Этот канал является дополнительным к резонансному отражению, в формировании которого в основном участвуют свободные 2Б экситоны.

В данной главе подробно описывается методика регистрации упруго рассеянного света при облучении образца в геометрии Брюстера. Показано, что при слабом монохроматическом возбуждении квантовой ямы удается зарегистрировать резонансное рэлеевское рассеяние, значительно превышающее по интенсивности некогерентную компоненту фотолюминесценции на частоте возбуждения. Измерения температурной зависимости интегральной интенсивности рассеянного излучения, собранного в заданной апертуре, позволяют получить скорость спонтанного излучения, локализованных 2П экситонов, усредненную по освещаемой области квантовой ямы (Г^д)^. Проделанные в

двух различных пространственных точках квантовой ямы, имеющих идентичный спектральный отклик в отражении, температурные измерения упругого резонансного рассеяния дали существенно различные величины (Г5д);0С, равные 19 мкэВ и 70 мкэВ с точностью 10%. Указанные значения по порядку величины сравнимы с удвоенной скоростью радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов: 2Гд = 91 мкэВ ±1%. Этот результат говорит о высокой степени делокализации экситонов в высококачественных ваАя квантовых ямах. Различие полученных значений {Гзд)(ос указывает на значительную разницу в масштабах флуктуаций квантующего потенциала в квантовой яме, на которых происходит упругое рассеяние 2Б экситонов. На основе указанных значений в работе произведена оценка характерных размеров областей локализации 2Б экситонов, которые составили .30 им и 60 им, соответственно.

Пятая глава диссертации посвящена описанию экспериментов по изучению резонансного экситошюго отражения при интенсивном оптическом возбуждении высококачественных одиночных ваАя квантовых ям. Накачка осуществлялась независимо в нормальном направлении в ту же пространственную область образца, где происходило зондирование слабым пробным пучком

в геометрии Брюстера. Таким образом, по пробному каналу возбуждения режим эксперимента оставался линейным.

В работе показано, что при уровне резонансного возбуждения квантовой ямы, превышающем на 5 порядков по величине уровень линейного предела, контур эк-ситонной линии в отражении претерпевает многократ-

Рис. 5. Зависимость параметров контура экситонной

линии от интенсивности возбуждения: амплитуда (тре- НОв УшиРгаи(! и падение ПО угольники) и полуширина (квадраты) при резонансной амплитуде (см. рис. 5). При накачке /д и полуширина при нерезонансной накачке этом удельная сила ОСЦИЛЛЯ-

1лгд, ДЕ = 5 мэВ (кружки).

у ' тора экситонного перехода,

т

0,;50 0,48 -о: 46 0.44 £ 0,42 ■ 5 0.40> 0.38 0,36 0.34 0.32-

о.зо

ТГГТ1-г ' ТТПТД-г—г ......1 ' 11 ■ ■ .............

д-д Е296 ■

Ад 7=8 К ^/Ад

■л

я ,

ь.;

&

»

/ X

■ 2ЛГ . ■ ; Д .

„■' а ■ и .

м -

Л

■■■■ ......■ : ..... . •.....,£> -о- -о-'- -О-с, гС;> . -........

10"

10

10"

10«

10"

10

0.09' 0,08 0:07

о:об

0.05 0.04

о.оз

0.02

0,01

0.00 1:7

/г< , / ,фот/(см с):

пропорциональная Г л, достаточно хорошо сохраняется. Это позволяет анализировать получаемые спектры экситонного отражения с помощью модели Бенедикта и Трифонова и изучать механизмы фазовой релаксации 2Б экси-тонов, обусловленные интенсивной оптической накачкой квантовой ямы.

Установлено, что нерезонансное возбуждение квантовой ямы может приводить к сужению контура экситонной линии. На рис. 5 приведена зависимость полуширины экситонной линии (Р\УНМ) от интенсивности монохроматической накачки, сдвинутой по энергии на 5 мэВ вниз относительно резонанса (кружки). Величина Гд при этом практически не меняется. Аналогичное поведение демонстрирует спектр экситонного отражения при облучении квантовой ямы красным монохроматическим светом, энергия которого значительно выше положения резонанса. Такое поведение спектра экситонного отражения может быть объяснено компенсацией исходной равновесной концентрации дырок в квантовой яме фотоиндуцированньгми электронами, генерируемыми оптической накачкой. Исходная концентрация дырок, рассеивающих пробные экситоны, обусловлена существованием ростовых дефектов в квантовой яме.

Двухцветное возбуждение квантовой ямы, при котором осуществляется интенсивная резонансная накачка и подсветка красным излучением, при низкой температуре может приводить к большому уширвнию экситонной линии.

Причем результирующее уши-рение превышает суммарное уширение для случаев раздельной резонансной накачки и красной подсветки. Такая феноменология экситонного отражения объясняется рождением в квантовой яме фотоиндуциро-ванных центров, возникающих при одновременной оптической генерации резонансных эксито-нов и электронов и приводящих к эффективному рассеянию пробных экситонов. Выдвинута гипотеза, согласно которой в качестве рассеивающих центров выступают

700 650600 550. 500 450 400

350

-■-1 = 0

-П- * 1.10!1 фот/См'с

- ■ 5 101 фот/смгс

- ,'г - 1 0 ' фОТ'СмЧ

• 5 10 фот/смс ; 1Ю1" <¥>от/«м'с 1 510" фог/см®с фот/см'с

Е296

30 40 50 60

Температура, К

Рис. 6. Серия зависимостей уширения контура экситонной линии от температуры для набора значений интенсивности резонансной слу-накачки 1р.

положительно и отрицательно заряженные трионы в квантовой яме.

На высококачественной квантовой яме была обнаружена температурная аномалия фазовой релаксации 2В экситонов, возникающая при интенсивном резонансном возбуждении (см. рис. 6). Полное уширение экситонной линии при действии интенсивной резонансной накачки с ростом температуры сперва уменьшается, а затем выходит на нормальную температурную зависимость, описываемую экситон-фононным взаимодействием (Г2). Такое температурное поведение полной скорости фазовой релаксации 2Б экситонов объясняется развалом эффективно рассеивающих центров (трионов) с ростом температуры. При Т > 80 К уширение, обусловленное резонансной накачкой, практически полностью уходит и, на ряду с неоднородным уширением Г?;, остается только определяемое температурой однородное уширение Г2.

Экспериментально обнаружено существование процессов рассеяния когерентных 2Б экситонов, обусловленных модулированной интенсивной резонансной накачкой, которые, имеют времена выхода в стационарный режим 10'5 -т- 101 с. Эти процессы действуют только при низких температурах и приводят к периодическому ушире-нию экситонной линии поглощения. Эксперименты по нерезонансному возбуждению квантовой ямы показывают, что возникающее и живущее столь долго уширение экситонной линии не может быть описано простым рассеянием 2Б экситонов на носителях, образующихся в результате перезарядки квантовой ямы оптическим образом. Выдвинута гипотеза, согласно которой 20 экситоны при низких температурах эффективно взаимодействуют с долгоживунцши ("темными") триплетными состояниями трионов, генерируемых из резонансных экситонов и фотоиндуцированных и равновесных носителей, т. е. электронов и дырок, в квантовой яме.

170

к

1 155 ^ со

а 160-о л £3

Е296 / ■ 2.5-10 фот/см с

7=8К ^

/„ = 2.5-10"фот/см2с 1р = 2.5-1012 фот/см2с

I—I—I—I—I—|—I—г—.—I—|—I—I—1—I—|—

О 5 10 15

Время, мсек

Рис. 7. Кинетика интенсивности отражения в зависимости от уровня периодического резонансного си-возбуждения {}тол = 100 Гц).

В Заключении приведены основные результаты и выводы работы:

1. Показано, что с помощью спектроскопии резонансного экситонного отражения в геометрии Брюстера удается измерить форму спектра поглощения одиночной СаАя квантовой ямы. Регистрируемые спектры представляют собой отдельные интенсивные узкие линии экг.итонных резонансов. При этом удается практически полностью избавиться от фонового отражения поверхностью образца.

2. Впервые измерена зависимость скорости радиационной дефазировки свободных 2Г) экситонов от толщины СаА.ч квантовой ямы в диапазоне 9.1 -г-30 нм. Показано, что феноменологическое поведение этой величины удовлетворяет зависимости Гн ~ Ь^,1, полученной теоретически Грундманом и Бимбергом. Экспериментально установлено, что сила осциллятора экситонного перехода с высокой точностью не зависит от температуры в диапазоне 8 90 К. Впервые произведено разложение ширины контура экситонной линии на естественную ширину, однородное и неоднородное уширения. Показано, что температурная зависимость уширения имеет линейный участок при Т < 30 К, связанный с рассеянием экситонов на акустических фононах, с наклоном Н"/ас = 0.89 ± 0.04 мкэВ/К. При Т > 30 К начинает играть роль рассеяние на оптических фононах.

3. Впервые измерена постоянная времени затухания сигнала свободной экситонной индукции от одиночной ваАя квантовой ямы толщиной 12 нм, которая при Т — 8 К составила Трю ~ 4.3 ±0.1 пс. Показано, что временные измерения свободной экситонной индукции превосходно согласуются со спектроскопическими измерениями резонансного экситонного отражения, проводимыми на том же образце.

4. Разработана экспресс-методика характеризации неоднородности оптических резонансных свойств гетероструктур с СаАя квантовыми ямами. Она позволяюот регистрировать пространственно-частотное распределение резонансов, связанных с экситонными переходами в квантовых ямах, по всей площади образца. С ее помощью удается выявить влияние дефектов монтирования образца в криостат на однородность резонансных свойств образца.

5. Впервые измерена величина скорости спонтанного излучения локализованных 2Б экситонов в высококачественной одиночной СаАя квантовой яме

толщиной 12 нм. Значения этой величины, полученные в двух пространственных точках образца, имеющих идентичный спектральный отклик в отражении, составили 19 мкэВ и 70 мкэВ с точностью 10%. Произведена оценка характерных размеров областей локализации 2Б экситонов, которые составили 30 нм и 60 нм, соответственно.

6. Впервые зарегистрирована немонотонная зависимость уширения контура экситонной линии от уровня резонансного возбуждения высококачественной СаАй квантовой ямы при низких температурах. Показано, что повышение уровня резонансного возбуждения на 5 порядков выше линейного предела не приводит к существенному уменьшению силы осциллятора экситонного перехода. В области тех значений интенсивности накачки, где эта зависимость проявляет немонотонность, спектр резонансного экситонного отражения демонстрирует бистабильное поведение во времени. Установлено, что нерезонансное возбуждение квантовой ямы может приводить к сужению контура экситонной линии. Также установлено, что одновременное интенсивное резонансное и нерезонансное возбуждение квантовой ямы при низких температурах может приводить к сильному уширению контура экситонной линии. Причем результирующее уширение значительно превосходит суммарное уширение, получаемое при действии тех же возбуждений по отдельности. Показано, что сила осциллятора экситонного перехода при этом меняется не значительно.

7. Впервые зарегистрировано аномальное температурное поведение полной скорости фазовой релаксации 2Б экситонов при интенсивном резонансном возбуждении высококачественной СаАй квантовой ямы. С ростом температуры ширина контура экситонной линии сначала падает, а затем выходит на нормальную температурную зависимость, описываемую экситон-фононным взаимодействием. При Т > 80 К уширение экситонной линии, обусловленное резонансной накачкой, перестает быть существенным. Обнаружены процессы дефазировки 2Б экситонов, возникающие при интенсивном резонансном возбуждении СаАя квантовой ямы при низких температурах, которые имеют времена установления стационарного режима, лежащие в диапазоне 10~5 ~ 101 с. Предложена гипотеза об образовании в квантовой яме при низких температурах долгоживущих триплетных состояний трионов, на которых происходит эффективное рассеяние 2Б экситонов.

' Основные работы, включенные в диссертацию

1. С.В. Полтавцев, В.В. Овсянкин, Б.В. Строганов, Ю.К. Долгих, С.А. Ели сеев, Ю.П. Ефимов, В.В. Петров. Исследование механизмов релаксации кс герентности экситонов в одиночных GaAs/AlGaAs квантовых ямах методам] экситонной индукции. // Оптика и спектроскопия, том 105, № 4, с.566 (2008

2. S.V. Poltavtsev, V.V. Ovsyankin, B.V. Stroganov. Coherent resonant, scatterin and free induction decay of 2D-excitons in GaAs SQW. // Physica Status Solic (c) 6, No. 2, p.483 (2009).

3. В.Г. Давыдов, В.В. Овсянкин, Г.Г. Козлов, Б.В. Строганов, С.А. Гаврилот С.В. Полтавцев. Резонансное рассеяние света градиентной квантовой ямой. / Оптика и спектроскопия, том 107, №5, с.798 (2009).

4. С. В. Полтавцев, В. Г. Давыдов. ПЗС-фотодетектор для оптического спер трометра. // Приборы и техника эксперимента, 2006, № 4, с. 158.

Список цитированной литературы

[1] I. Ya. Gerlovin, V. V. Ovsyankin, В. V.Stroganov and V. S. Zapasskii. Coherer transients in semiconductor nanostructnres as a basis for optical logical operatioi // Nanotecnology, vol. 11, (2000) p.383.

[2] I. Ya. Gerlovin, V. V. Ovsyankin, B. V.Stroganov and V. S. Zapasskii. Nonlinef optical dynamics of semiconductor nanostructnres: Feasibility of the photon: quantum gate. // Journal of Luminescence 87-89, (2000) p.421.

[3] M. G. Benedict and E. D. Trifonov. Coherent reflection as snperradiation froi the boundary of a resonant medium. // Phys. Rev. A 38, 2854 (1988).

[4] M. Grundmann and D. Bimberg. Anisotropy effects on excitonic properties i realistic quantum wells. // Phys. Rev. В 38, 13486 (1988).

[5] J. Lee, E. S. Koteles, and M. O. Vassell. Luminescence linewidths of excitoi in GaAs quantum wells below 150 K. // Phys. Rev. В 33, 5512 (1986).

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ ЛЬ 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 17.12.09 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л. 1. Тираж 80 экз., Заказ №1022/с. 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, зел. 929-43-00.

Введение

1 Оптические методы исследования экситонов в одиночных СаАя квантовых ямах

1.1 Фотолюминесценция ОаАз/АЮаАэ гетероструктур с квантовыми ямами.

1.1.1 Эксперименты по исследованию фотолюминесценции СаАз/АЮаАв гетероструктур с одиночными квантовыми ямами.16 ■

1.1.2 Применение фотолюминесценции к изучению свойств ^ 2Б экситонов.

1.2 Резонансное рэлеевское рассеяние в СаАв/АЮаАв гетерострук-турах.

1.2.1 Упругое рассеяние локализованных 2Б экситонов

1.2.2 Эксперименты по резонансному рэлеевскому рассеянию

1.2.3 Применение резонансного рэлеевского рассеяния к изучению процессов фазовой релаксации 2Б экситонов

1.3 Нелинейные методы исследования релаксации

2Б экситонов.

1.3.1 Опубликованные результаты работ по изучению нелинейных свойств экситонов в СаАв квантовых ямах

1.3.2 Особенности опубликованных исследований.

1.4 Выводы и задачи работы.

2 Метод резонансного экситонного отражения

2.1 Используемая модель

2.2 Спектроскопия резонансного экситонного отражения.

2.3 Фактор качества.

2.4 Выводы.

3 Измерение резонансного экситонного отражения при слабых интенсивностях возбуждения

3.1 Спектральные измерения резонансного экситонного отражения

3.1.1 Экспериментальная установка

3.1.2 Зависимость Гд от толщины квантовой ямы.

3.1.3 Зависимость Гд от температуры.

3.1.4 Измерение скоростей обратимой и необратимой фазовой релаксации 2D экситонов.

3.2 Временное поведение сигнала затухания свободной экситониой индукции.

3.3 Экспресс-методика характеризации пространственной неоднородности оптических свойств гетероструктур с СаАэ квантовыми ямами.

3.4 Выводы.

4 Стационарное резонансное рэлеевское рассеяние в СаАэ квантовых ямах

4.1 Условия эксперимента.

4.1.1 Экспериментальная установка

4.2 Спектральные свойства резонансного рэлеевского рассеяния.

4.3 Температурные измерения резонансного рэлеевского рассеяния

4.4 Скорость спонтанного излучения локализованных

2Б экситонов.

4.5 Выводы.

5 Измерение резонансного экситонного отражения при интенсивном оптическом возбуждении ваАв квантовых ям

5.1 Введение.

5.2 Условия эксперимента.

5.3 Зависимость Гд от интенсивности резонансной накачки при низкой температуре.

5.4 Нерезонансное оптическое возбуждение квантовой ямы.

5.5 Двухцветное возбуждение квантовой ямы.

5.6 Зависимость уширения экситонной линии от интенсивности стационарного резонансного возбуждения.

5.7 Температурное поведение зависимости уширения экситонной линии от интенсивности резонансного возбуждения.

5.8 Временные свойства процессов фазовой релаксации 2Б экситонов, возникающих при интенсивном резонансном возбуждении

5.9 Гипотеза об образовании триплетных состояний трионов.

5.10 Выводы.

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию механизмов релаксации когерентности квазидвумерпых (2Б) экситонов в высококачественных эпитаксиальных СаАэ/АЮаАв гетероструктурах с одиночными СаАв квантовыми ямами. В таких структурах создаваемые светом 2Б экси-тоны существенно делокализованы, что определяет высокую эффективность переноса когерентности от излучения к экситонному возбуждению и, обратно, от экситонов к излучению.

В работе в основном использовался метод, основанный на наблюдении спектров резонансного 2 Б экситонного отражения, который обладает высокой чувствительностью к проявлению слабых механизмов рассеяния эксито- * нов в квантовой яме. Изучалось также резонансное рэлеевское рассеяние как дополнительный канал информации о процессах фазовой релаксации 2D экситонов. Кроме того, исследовалось временное поведение сигнала резонансного отражения при модулированном оптическом возбуждении квантовой ямы. Исследования проводились при уровнях оптического возбуждения квантовых ям, при которых сила осциллятора изучаемого 18-НН экситонного перехода практически сохранялась.

Актуальность проблемы

Полупроводниковые гетероструктуры с СаАв квантовыми ямами обладают крайне интересными оптическими свойствами, которые определяются в основном высокой эффективностью взаимодействия 21) экситонной подсистемы со светом. Современный уровень развития методики эпитаксиального выращивания таких наноструктур позволяет получать образцы высочайшего качества, имеющие достаточно большие пространственные области однородности оптических свойств в квантовой яме. Благодаря этим обстоятельствам, подобные наноструктуры привлекают большое внимание исследователей и имеют потенциальную возможность применения в качестве рабочих сред для логических элементов, способных бездиссипативпо производить вычисления чисто оптическим образом [1,2].

Выступая в качестве кандидата на оптически управляемый переключатель, квантовая яма должна обладать высокой эффективностью переноса когерентности в процессах фотон-экситонного взаимопревращения. Эта эффективность ограничивается наличием ряда механизмов фазовой релаксации 2D экситонов, обусловленных их взаимодействием с окружением. Для того чтобы контролировать качество квантовой ямы, экситонная подсистема которой должна эффективно взаимодействовать со светом, необходимо иметь методы, позволяющие изучать механизмы дефазировки 2D экситонов и их влияние на результирующую эффективность переноса когерентности в таких структурах. Эти методы должны быть основаны на использовании временной и пространственной когерентности изучения, а также, по возможности, быть линейными, поскольку существующие нелинейные методы слишком сложны для изучения механизмов релаксации экситонной поляризации.

Основанные на наблюдении резонансного экситоииого отражения и резонансного рэлеевского рассеяния методы, описанные в данной работе, могут быть эффективно применены при оптической характеризации СаАз/АЮаАв гетероструктур, имеющих квантовые ямы относительно высокого качества. С их помощью, в частности, удается измерить полную ширину спектрального контура экситонного резонанса, радиационную ширину, а также величины однородного и неоднородного уширений в зависимости от таких параметров, как, например, температура и интенсивность оптического возбуждения. Описанный в работе метод измерения скорости радиационной дефазировки свободных экситонов в одиночных СаАв квантовых ямах является практически единственным существующим из простых и надежных методов определения этой величины.

Цель настоящей работы

Целью настоящей работы является: исследование механизмов фазовой релаксации 2Б экситонов в высококачественных одиночных СаАй квантовых ямах, действующих в режимах слабого, интенсивного, резонансного и нерезонансного оптического возбуждения и обусловливающих уширение резонансной линии экситонного поглощения. Изучение свойств процессов радиационной дефазировки свободных и локализованных 2 Б экситонов.

Защищаемые научные положения

1. Измерение спектров зеркального отражения от АЮаАй гетероструктур с одиночными СаАй квантовыми ямами в геометрии Брюстера позволяет с хорошей точностью получить форму спектра поглощения в районе экситонного резонанса. По параметрам контура линии экситонного отражения можно определить полную скорость фазовой релаксации 2D экситонов и скорость радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов.

2. Зависимость скорости радиационной дефазировки свободных 2D экситонов от толщины квантовой ямы удовлетворяет гиперболическому поведению в соответствии с теоретической моделью Грюидмана и Бимберга. Измерение спектров резонансного отражения как функции температуры позволяет определить температурную зависимость скорости радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов, а также найти значения однородного и неоднородного уширений линии экситонного резонанса. При этом скорость радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов оказывается независящей от температуры в диапазоне 8 90К.

3. Существенную дополнительную информацию о процессах фазовой релаксации 2В экситонов дает изучение резонансного рэлеевского рассеяния на квантовых ямах. Определенные с помощью температурных измерений резонансного рэлеевского рассеяния величины скорости спонтанного излучения 2Б экситонов, локализованных на неоднородностях квантующего потенциала, оказываются сопоставимыми со значениями скорости радиационной дефази-ровки свободных 2Б экситонов.

4. Интенсивное резонансное возбуждение высококачественных одиночных СаАэ квантовых ям при низкой температуре приводит к изменению формы контура линии экситонного резонанса, при этом суммарная сила осциллятора экситопного перехода сохраняется. Изменения формы контура, вызванные оптической накачкой, обусловлены дополнительной фазовой релаксацией 2 Б экситонов, связанной с рассеянием на фоторождепных центрах.

Научная новизна и практическая ценность

Впервые были получены следующие результаты:

1) На основе спектроскопии резонансного экситонного отражения разработан метод измерения скорости радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов в одиночных СаАэ квантовых ямах. Получена зависимость этой величины от толщины квантовой ямы. Показано, что в линейном режиме возбуждения квантовой ямы скорость радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов не зависит от температуры в диапазоне 8 90 К.

2) С помощью температурных измерений спектров резонансного экситонного отражения получены величины однородного и неоднородного уширений контура резонансной экситонной линии.

3) Зарегистрировано временное поведение сигнала затухания свободной экситонной индукции при низком уровне возбуждения СаАэ квантовой ямы с помощью оригинальной автокорреляционной техники с высоким временным разрешением. Показано, что это поведение хорошо соответствует экспоненциальному затуханию с временным параметром, превосходно согласующимся с обратной величиной полной скорости фазовой релаксации 2Б экситонов, получаемой из спектров резонансного экситонного отражения.

4) При помощи температурных измерений стационарного резонансного рэ-леевского рассеяния на наиболее качественной квантовой яме проведено измерение радиационной скорости спонтанного излучения локализованных 2Б экситонов. На основе полученных значений, произведена оценка характерных размеров областей локализации 2Б экситонов.

5) Зарегистрирован немонотонный ход зависимости уширения экситонной линии от интенсивности стационарной резонансной накачки при температуре образца 8 К в режиме высокого возбуждения квантовой ямы. Показано, что в этом режиме существенную роль играют процессы дефазировки 2Б экситонов, отличные от экситон-экситонного рассеяния, а также от рассеяния экситонов на носителях заряда. Эти процессы имеют гигантские времена установления стационарного режима, лежащие в диапазоне Ю-5 101 с. Обнаружено явление бистабильности сигнала резонансного экситонного отражения. Зарегистрирована температурная аномалия фазовой релаксации экситонов в одиночных ОаАэ квантовых ямах.

6) Введен универсальный фактор качества для гетероструктур с одиночными СаАв квантовыми ямами, выражающий меру эффективности работы структуры как резонансного экситонного зеркала.

Результаты данной работы могут быть использованы в научных исследованиях когерентных оптических свойств эпитаксиальных СаАя/АЮаАя гетероструктур с одиночными СаАй квантовыми ямами. Описанные в работе методы позволяют изучать процессы фазовой релаксации 2Б экситонов в зависимости от широкого класса внешних воздействий на экситонную систему квантовой ямы. Измеренная зависимость скорости радиационной дефазировки свободных экситонов от толщины СаАв квантовой ямы может быть использована в качестве справочного материала. Приведенное в работе понятие фактора качества 2Б экситонного зеркала может быть использовано при изучении возможности использования эпитаксиальных СаАз/АЮаАэ гетероструктур в качестве рабочих сред для логических элементов, управляемых оптическим образом.

Работа над диссертацией была поддержана

1. Международным Техническим Центром (ISTC), проект № 2679;

2. Грантом Российского Фонда Фундаментальных Исследований, проект № 07-02-00979;

3. Агентством по образованию Российской Федерации, грант № 2.1.1/1792;

4. ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, грант № 02.740.11.0214;

5. Министерством Образования и Науки Российской Федерации, грант № 2.1.1.362;

6. Грантом российского представителя немецкой компании Carl Zeiss ООО "ОПТЭК".

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

VI всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике", СПбГПУ, 2004; "VII всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике", СПбГПУ, 2005; "9th Conference on the Optics of Excitons in Confined Systems", University of Southampton, UK, 2005; "The 9th International Workshop on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors", University of Rostock, Germany, 2008.

Также работа была представлена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе на "Низкоразмерном семинаре".

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах. Значительная часть результатов работы изложена в одном учебно-методическом пособии.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, 5 глав, Заключения и списка цитированной литературы из 67 наименований, содержит 136 страниц машинописного текста, включая 44 рисунка и 1 таблицу.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. С помощью спектроскопии резонансного экситонного отражения на гетероструктурах с высококачественными одиночными СаАв квантовыми ямами удается зарегистрировать форму спектра поглощения квантовой ямы в районе экситонного резонанса. Спектр поглощения представляет собой отдельные интенсивные узкие линии экситонных резонансов. Фоновое поглощение при этом практически отсутствует.

2. Впервые на серии образцов гетероструктур с высококачественными одиночными СаАв квантовыми ямами измерена зависимость скорости радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов от толщины квантовой ямы. Установлено, что эта величина, линейно связанная с удельной силой осциллятора 18-НН экситонного перехода, монотонно растет с уменьшением толщины квантовой ямы в диапазоне 9.1 Ч- 30 нм. Это феноменологическое поведение удовлетворяет зависимости Гд ~ полученной теоретически Грундманом и Бимбергом.

3. Впервые экспериментально установлено, что величина скорости радиационной дефазировки свободных 2D экситонов с высокой точностью не зависит от температуры в диапазоне 8 -т- 90 К. С помощью температурных измерений спектров резонансного экситонного отражения произведено разложение полной ширины контура экситонной линии на составляющие: естественную ширину, однородное уширение, вызванное экситон-фононным взаимодействием, и неоднородное уширение. Установлено, что температурная зависимость уширения контура экситонной линии имеет линейный участок при Т < 30 К, связанный с рассеянием экситонов на акустических фононах. Наклон этого участка Тг/уас = 0.89±0.04 мкэВ/К. При Т > 30 К начинает играть роль рассеяние на оптических фононах.

4. Введено понятие фактора качества 2Б экситопного зеркала, позволяющее характеризовать ростовое качество одиночных СаАэ квантовых ям и производить сравнение образцов гетероструктур между собой. Фактор качества эквивалентен надежно измеряемой величине резонансного коэффициента отражения монохроматического излучения. Эта величина отражает результирующую эффективность процесса переноса когерентности от возбуждающего излучения к экситонам, и обратно, от экситонов к излучению.

5. Впервые с помощью оригинальной автокорреляционной методики с высоким временным разрешением удалось напрямую измерить постоянную времени затухания сигнала свободной экситонной индукции, которая составила 4.3 ±0.1 пс. Результат измерений превосходно согласуется со спектральными данными, полученными при помощи спектроскопии резонансного экситонного отражения.

6. Разработана экспресс-методика характеризации неоднородности оптических резонансных свойств гетероструктур с СаАв квантовыми ямами. Она позволяюст регистрировать пространственно-частотное распределение резонансов, связанных с экситонными переходами в квантовых ямах, по всей площади образца.

7. Впервые с помощью температурных измерений стационарного резонансного рэлеевского рассеяния получена величина скорости спонтанного излучения локализованных экситонов в СаАэ квантовых ямах. Значения этой величины, измеренные в двух пространственных точках квантовой ямы толщиной 12 им, имеющих идентичный спектральный отклик в отражении, составили 19 мкэВ и 70 мкэВ с точностью 10%. Полученные значения по порядку величины сравнимы с удвоенной скоростью радиационной дефазировки свободных 2Б экситонов (2Г^ = 91 мкэВ), что говорит об относительно высокой делокализации реальных 2Б экситонов. На основе этих значений произведена оценка характерных размеров областей локализации 2Б экситонов, которые составили 30 нм и 60 им, соответственно.

8. Впервые зарегистрирована немонотонная зависимость упшрения спектрального контура экситонпой линии от интенсивности резонансного возбуждения при низких температурах. Причем, повышение интенсивности возбуждения па 5 порядков выше линейного предела не приводит к существенному уменьшению силы осциллятора экситонного перехода. В области тех значений интенсивности накачки, где эта зависимость проявляет немонотонность, спектр резонансного экситонного отражения демонстрирует бистабильное поведение во времени.

9. Установлено, что нерезонансное возбуждение квантовой ямы может приводить к сужению контура экситонной линии в спектре резонансного отражения. Одновременное интенсивное резонансное и нерезонансное возбуждение квантовой ямы при низких температурах может приводить к сильному уширению контура экситонной линии. Причем результирующее уширен ие значительно превосходит суммарное уширение, получаемое при действии тех же возбуждений по отдельности. Сила осциллятора экситонного перехода при этом меняется не значительно.

10. Впервые зарегистрировано аномальное температурное поведение полной скорости фазовой релаксации 2Б экситонов при интенсивном резонансном возбуждении квантовой ямы. С ростом температуры ширина контура экситонной линии сначала падает, а затем выходит на нормальную температурную зависимость, описываемую экеитон-фононным взаимодействием. Характер температурного поведения уширения экситонной линии, обусловленного резонансной накачкой, зависит от интенсивности возбуждения. При Т > 80 К уширение экситонной линии, обусловленное резонансной накачкой, перестает быть существенным.

11. Установлено существование процессов дефазировки 2Б экситонов, возникающих при интенсивном резонансном возбуждении квантовой ямы при низких температурах, которые имеют гигантские времена установления стационарного режима, лежащие в интервале Ю-5 -Ь 101 с. Предложена гипотеза об образовании в квантовой яме при низких температурах долгоживущих оптически запрещенных триплетных состояний три-онов, на которых происходит эффективное рассеяние 2 Б экситонов. Это рассеяние существенно ускоряет релаксацию когерентности экситонов в квантовой яме.

Автор благодарит своего научного соруководителя и наставника Владимира Владимировича Овсяпкина, а также официального научного руководителя Ю.В. Чижова за руководство и сотрудничество; ростовой отдел лаборатории — В. В. Петрова, Ю. К. Долгих, Ю. П. Ефимова и С. А. Елисеева — за уникальные предоставленные образцы; коллег Б. В. Строганова, В. Г. Давыдова и А. В. Хилько — за совместное участие в экспериментах; Г. Г. Козлова, И. В. Игнатьева и И. Я. Герловина — за плодотворное обсуждение экспериментальных результатов. Автор отдельно выражает благодарность В. С. Запасскому за проявленное участие и терпение.

Заключение

В настоящей работе проведено экспериментальное исследование когерентных оптических свойств экситонов в СаАз/АЮаАв гетероструктурах с высококачественными одиночными СаАя квантовыми ямами.

1. 1. Ya. Gerlovin, V. V. Ovsyankin, B. V.Stroganov and V. S. Zapasskii. Coherent transients in semiconductor nanostructures as a basis for optical logical operation. — Nanotecnology, vol. 11, (2000) p.383.

2. I. Ya. Gerlovin, V. V. Ovsyankin, B. V.Stroganov and V. S. Zapasskii. Nonlinear optical dynamics of semiconductor nanostructures: Feasibility of the photonic quantum gate. — Journal of Luminescence 87-89, (2000) p.421.

3. M. Fox. Optical Properties of Solids. — Oxford University Press, (2001) p.92.

4. В. Ф. Агекян. Фотолюминесценция полупроводниковых кристаллов. — Соросовский образовательный журнал, 2000, №10, с. 101-107.

5. П. Ю, М. Кардона. Основы физики полупроводников. — ФИЗМАТЛИТ, Москва (2002), 560 с.

6. R. С. Miller, D. A. Kleinman, W. Т. Tsang, А. С. Gossard. Observation of the excited level of excitons in GaAs quantum wells. — Phys. Rev. В 24, 1134 (1981).

7. G. Bastard, E. E. Mendez, L. L. Chang, L. Esaki. Exciton binding energy in quantum wells. — Phys. Rev. В 26, 1974 (1982).

8. Y. Shinozuka, M. Matsuura. Wannier exciton in quantum wells. — Phys. Rev. В 28, 4878 (1983).

9. V. Srinivas, J. Hryniewicz, Y. J. Chen, and С. E. C. Wood. Intrinsic linewidths and radiative lifetimes of free excitons in GaAs quantum wells.- Phys. Rev. В 46, 10193 (1992).

10. В. Deveaud and F. Clerot, N. Roy, K. Satzke, and B. Sermage, D. S. Katzer. Enhanced radiative recombination of free excitons in GaAs quantum wells.- Phys. Rev. Lett. 67, 2355 (1991).

11. Ю. К. Долгих, С. А. Елисеев, Ю. П. Ефимов, В. В. Петров. Техника молекулярно-лучевой эпитаксии. — СПб., издательство "COJIO" (2007).

12. A. Honold, L. Schultheis, J. Kuhl, С. W. Tu. Collision broadening of two-dimensional excitons in a GaAs single quantum well. — Phys. Rev. В 40, 6442 (1989).

13. R. C. Miller, D. A. Kleinman, A. C. Gossard, O. Munteanu. Biexcitons in GaAs quantum wells. — Phys. Rev. В 25, 6545 (1982).

14. К. Brunner, G. Abstreiter, G. Bohm, G. Trankle, and G. Weimann. Sharpline photoluminescence and two-photon absorption of zero-dimensional biexcitons in a GaAs/AlGaAs structure. — Phys. Rev. Lett. 73, 1138 (1994).

15. D. Birkedal, J. Singh, V. G. Lyssenko, J. Erland, J. M. Hvam. Binding of Quasi-Two-Dirnensional Biexcitons. — Phys. Rev. Lett. 76, 672 (1996).

16. J. G. Tischler, A. S. Bracker, D. Gammon, and D. Park. Fine structure of trions and excitons in single GaAs quantum dots. — Phys. Rev. В 66, 081310 (2002).

17. A. J. Shields, J. L. Osborne, M. Y. Simmons, M. Pepper, D. A. Ritchie. Magneto-optical spectroscopy of positively charged excitons in GaAs quantum wells. — Phys. Rev. В 52, R5523 (1995).

18. G. Finkelstein, H. Shtrikman, I. Bar-Joseph. Negatively and positively charged excitons in GaAs/AbGai^As quantum wells. — Phys. Rev. В 53, R1709 (1996).

19. M. Hayne, C. L. Jones, R. Bogaerts, C. Riva, A. Usher, F. M. Peeters, F. Herlach, V. V. Moshchalkov, M. Henini. Photoluminescence of negatively charged excitons in high magnetic fields. — Phys. Rev. В 59, 2927 (1999).

20. D. Sanvitto, R. A. Hogg, A. J. Shields, D. M. Whittaker, M. Y. Simmons, D. A. Ritchie, M. Pepper. Rapid radiative decay of charged excitons. — Phys. Rev. В 62, R13294 (2000).

21. О. В. Волков, И. В. Кукушкин, К. фон Клитцинг, К. Эберл. Свободные и локализованные положительно заряженные экситоны в спектре излучения GaAs/AlGaAs квантовых ям. — Письма в ЖЭТФ, том 68, вып. 3, стр. 223 (1998).

22. I. Ya. Gerlovin, Yu. К. Dolgikh, S. A. Eliseev, and V. V. Ovsyankin, Yu. P. Efimov and V. V. Petrov, I. V. Ignatiev and I. E. Kozin, Y. Masumoto. Fine structure and spin dynamics of excitons in the GaAs/Al^Gai-^As. — Phys. Rev. В 65, 035317 (2001).

23. S. V. Poltavtsev, V. V. Ovsyankin, and В. V. Stroganov. Coherent resonant scattering and free induction decay of 2D-excitons in GaAs SQW. — Physica Status Solidi (c) 6, No. 2, p.483 (2009).

24. V. Savona, W. Langbein. Realistic heterointerface model for excitonic states in growth-interrupted GaAs quantum wells. — Phys. Rev. В 74, 075311 (2006).

25. J. Hegarty, M. D. Sturge, C. Weisbuch, A. C. Gossard, and W. Wiegmann. Resonant Rayleigh scattering from an inhomogeneously broadened transition: A new probe of the homogeneous linewidth. — Phys. Rev. Lett. 49, 930 (1982).

26. W. Langbein, J. M. Hvam, R. Zimmerman. Time-resolved speckle analysis: A new approach to coherence and dephasing of optical excitations in solids. Phys. Rev. Lett. 82, 1040, (1999).

27. M. Франсон. Оптика спеклов. — Москва, МИР (1980).

28. J. С. McGillivray and М. S. Feld. Theory of superradiance in an extended, optically thick medium. — Phys. Rev. A 14, 1169 (1976).

29. Koherscheidt] G. Kocherscheidt, W. Langbein, and U. Woggon, V. Savona, R. Zimmermann, D. Reuter and A. D. Wieck. Resonant Rayleigh scattering dynamics of excitons in single quantum wells. Phys. Rev. В 68, 085207 (2003).

30. К.-С. Je, M. Choi, S.-Y. Yim, J. Sun Ahn, S.-H. Park. Separation of screened Coulomb interaction and phase-space filling in exciton bleaching of multiple quantum wells. Phys. Rev. В 66, 155312 (2002).

31. D. R. Wake, H. W. Yoon, J. P. Wolfe, H. Morkoc. Response of excitonic absorption spectra to photoexcited carriers in GaAs quantum wells. — Phys. Rev. В 46, 13452 (1992).

32. К. Litvinenko, D. Birkedal, V. G. Lyssenko, J. M. Hvam. Exciton dynamics in GaAs/AlxGai.TAs quantum wells. Phys. Rev. В 59, 10255 (1999).

33. N. Peyghambarian, H. M. Gibbs, J. L. Jewell, A. Antonetti, A. Migus, D. Hulin, A. Mysyrowicz. Blue shift of the exciton resonance due to exciton-exciton interactions in a Multiple-Quantum-Well structure. —- Phys. Rev. Lett. 53, 2433 (1984).

34. S. Hunsche, К. Leo, H. Kurz, K. Kohler. Exciton absorption saturation by phase-space filling: Influence of carrier temperature and density. — Phys. Rev. В 49, 16565 (1994).

35. R. Lovenich, С. W. Lai, D. Hagele, D. S. Chemla, W. Schafer. Semiconductor polarization dynamics from the coherent to the incoherent regime: Theory and experiment. Phys. Rev. В 66, 045306 (2002).

36. M. G. Benedict and E. D. Trifonov. Coherent reflection as superradiation from the boundary of a resonant medium. — Phys. Rev. A 38, 2854 (1988).

37. L. C. Andreani, F. Tassone, F. Bassani. Radiative lifetime of free excitons in quantum wells. — Solid State Comm., vol. 77, No. 9, p.641 (1991).

38. Jl. E. Воробьев, E. JI. Ивченко, Д. А. Фирсов, В. А.Шалыгин. Оптические свойства наноструктур. — СПб., Наука, стр. 95 (2001).

39. R. Brewer and R. Shoemaker. Optical free induction decay. — Phys. Rev. A 6, 2001 (1972).

40. E. L. Hahn. Nuclear induction due to free larmor precession. — Phys. Rev. 77, 297 (1950).

41. В. В. Овсянкин. Отчет по проекту МНТЦ №2679. СПб. (2007).

42. D. S. Citrin. Radiative lifetimes of excitons in quantum wells: Localization and phase-coherence effects. — Phys. Rev. В 47, 3832 (1993).

43. E. Hanamura. Rapid radiative decay and enhanced optical nonlinearity of excitons in a quantum well. — Phys. Rev. В 38, 1228 (1988).

44. J. Lee, E. S. Koteles, and M. O. Vassell. Luminescence linewidths of excitons in GaAs quantum wells below 150 K. — Phys. Rev. В 33, 5512 (1986).

45. L. Schultheis, A. Honold, J. Kuhl, and K. Kohlcr, C. W. Tu. Optical dephasing of homogeneously broadened two-dimensional exciton transitions in GaAs quantum wells. — Phys. Rev. В 34, 9027 (1986).

46. С. В. Полтавцев, В. Г. Давыдов. Оптическая методика характеризации гетероструктур с квантовыми ямами. — Сборник тезисов VI Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. стр. 51 (2004).

47. В. Г. Давыдов, В. В. Овсянкин, Г. Г. Козлов, Б. В. Строганов, С. А. Гаврилов, С. В. Полтавцев. Резонансное рассеяние света градиентной квантовой ямой. — Оптика и спектроскопия, 2009, том 107, №5, стр.798.

48. W. Langbein, Е. Runge, V. Savona, R. Zimmermann. Enhanced Resonant Backscattering of Excitons in Disordered Quantum Wells. — Phys. Rev. Lett. 89, 157401 (2002).

49. S. Haacke, R. A. Taylor, R. Zimmermann, I. Bar-Joseph, and B. Deveaud. Resonant femtosecond emission from quantum well excitons: The role of Rayleigh scattering and luminescence. — Phys. Rev. Lett. 78, 2228 (1997).

50. G. R. Hayes, B. Deveaud, V. Savona, S. Haacke. Speckle-averaged resonant Rayleigh scattering from quantum-well excitons. — Phys. Rev. В 62, 6952 (2000).

51. S. V. Poltavtsev, В. V. Stroganov and V. V. Ovsyankin. Coherent resonant scattering and free induction decay of 2D-excitons in GaAs SQW. — NOEKS-9 Abstracts, p. 107 (2008).

52. С. В. Полтавцев, В. Г. Давыдов. ПЗС-фотодстектор для оптического спектрометра. — Приборы и техника эксперимента. 2006 г., номер 4, стр.158.

53. S. Adachi, Т. Miyashita, S. Takeyama, and Y. Takagi, A. Tackeuchi, M. Nakayama. Polarization choices in exciton-biexciton system of GaAs quantum wells. Phys. Rev. В 55, 1654 (1997).

54. A. Thilagam. Pauli blocking effects in quantum wells. — Phys. Rev. В 59, 3027 (1999).

55. P. Смит. Полупроводники. — 2-е издание, Москва, МИР, стр. 392 (1982).

56. V. G. Davydov, S. V. Poltavtsev, V. V. Ovsyankin, В. V. Stroganov. Temperature anomaly in the polarization relaxation of 2D excitons and droplet-type e-h condensation in GaAs SQWs. — OECS9 and ICSCE2 Abstracts, p. 114 (2005).

57. A. J. Shields, М. Pepper, М. Y. Simmons and D. A. Ritchie. Spin-triplet negatively charged excitons in GaAs quantum wells. — Phys. Rev. В 52, 7841 (1995).

58. S. Glasberg, G. Finkelstein, H. Shtrikman, and I. Bar-Joseph. Comparative study of the negatively and positively charged excitons in GaAs quantum wells. Phys. Rev. В 59, R10425 (1999).

59. I. Bar-Joseph. Trions in GaAs quantum wells. — Semicond. Sci. Technol. 20, R29 (2005).

60. D. Sanvitto, D. M. Whittaker, A. J. Shields, M. Y. Simmons, D. A. Ritchiel, and M. Pepper. Origin of the Oscillator Strength of the Triplet State of a Trion in a Magnetic Field. — Phys. Rev. Lett. 89, 246805 (2002).