Поляризационные свойства фотолюминесценции горячих электронов в квантовых ямах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

' -.^РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ПОРГНОЙ МИХАИЛ ЕФИМОВИЧ

УДК 621.375.826; 621.382

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ

(01.04.10 - физике полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических каух

С.-Петероург 1994

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель: член-корреспондент РАН В.И.Перси

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических № профессор А.И.Пихп доктор физико-математических н;

Н.С.Аверки<

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государствен

технический университ»

Защита состоится 1994 г. в /5" часов ка заседа

специализированного совета К 003.23.01 при Фкзико-техничес институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербу Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико- технического института им. А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан "20" 1994 год л.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук Г.С.Кул*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Проблемы, исследуемые в настоящей диссертационной работе, лежат на стыке двух штереснэйшл областей современной физики полупроводнике ^ - спектроскопии горячей фотолюминесценции и физшеи низкоразмерных систем.

Исследование поляризационных спектров горячей фотолпи-яееценции и ее деполяризации в магнитном поле ягллось наиболее мощным методом изучения быстрых релаксационных процессов в голупроводниках. Этот метод основан на двух физических явлениях. Эдно из них - оптическое выстраивание электронов и дырок - сотой? в том, что при межзонном поглощении света раогределени? ротовозбузденных носителей по скоростям оказывается анизотроп-шм. Такая анизотропия приводит к линейной поляризации горячей ¡отолшиучецвнции С1,°]. Поляризационные спектры горячей фото-псминесценции представляют собой как' бы временную развертку процессов релаксации по энергии и импульсу. Второе явлэние со-роит в деполяризации горячей фотолюминесценции в магнитном поле [ обусловлено циклотронным движением носителей. Оба эти явления меют существен то различные проявления в объемных кристаллах ипа СаАа и в структурах с квантовыми ямачи 131. Эти различия отробовали теоретического объяснения, которое и представлено в анной работе.

Интерес к искусственно изготовленным иизкоразморным сис-емам связан, преаде всего, с возможностью направленной одафикациИ зонной структуры и волновых функций носителей аряда. Понимание того, как эта "зонная инженерия" алияет чй

оптические • свойства низкоразмервых структур оч^нь важно .для создания новых приборов шлуг тободниковой оптозлектроники.

Все вышесказанно^ определяет актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы является:

- создание теории оптической ориентации спинов и выстраивания им ульсов фотовозбуждешшх электронов в квантовых ямах;

- исследование влияния анизотропии валентной зоны на спектр и поляризацию горячей фотолюминесценции структур с квантовыми яырми;

- исследование влияния магнитного поля на линейную поляризацию фотолюминесценции горячих электронов в квантовых ямах;

- исследование деполяризации лотолюминесценции при испускании оптических фононов горячими электронами в квантовых ямах.

Научная новизна работы состоит в том, «о в ней впервые построена теория оптической ориентации спинов и выстраивания импульсов электронов в квантсво'й яме. Предсказано влияние гофрировки валентной зоны на спектр и поляризацию горячей люминесценции структур с квантовыми ямами, обнаруженное впоследствии в эксперименте [41.

Практическая значимость: Разработанная теория позволила понять результаты экспериментальных исследований горячей фото-лсмшьсцешки, докадв важную информацию о процессах релаксации горячих дьумерних носителей заряда, которая может быть исполь-

зована при создании быстродействующих приборов на основе пизК'-»-размерных систем. Ряд результатов использу тся для анализа поляризационных свойств коэффициента усиления инжекционного гетеролазера с одиночной квантовой ямой. Полученные в рабоч ) выражения для волновых Функций горячих дыро" в квантовых ямах жзгут быть испо." ьзованн в расчетах необходимых при разработке ювых оптоэлектронных приборов.

Основные положения, выносимые на защиту: С. Степень оптической ориентации спинов электронов в квантовой ме при возбуждении циркулярно полярк ованным светом и степень шстраивания их импульсов при возбуждении линейно поляризовак-шм светом резко зависят от энепгии кванта возбуждающего света. )та зависимость тем более резкая,' чем меньше отношение массы югкой должи к массе тяжелой д:.рки в объемном материале.

Гофрировка изоэнергатических поверхностей валентной зоны «взывает существенное влияние на форму линии горячей фотолюми-всцвнции структур о квантовыми ямами и на ее поляризацию. Рас-редэление фотовозбужденных электронов по энергиям в момент овдения имеет провал посредине и два острых максимума по краям, ричем каждый из этих максимумов может быть возбужден только ветом с определенной ориентацией плоскости поляризации тносительно кристаллографических осой. В результате, стегнт низотрошш линейной поляризации при рекомбгашда горя^:х лектроиов с дырками на акцепторах сильно изменяется в пределах «офононногэ пика. При рекомбинации зона-зона степень анизотро-ии линейной поляризации зависит от энергии кванта .зозсухда-

ющвго света и от температуры.

3. Деполяризация горячей фотолюминесценции в магнитном поле (кривая Ханлэ) содержит информацию о структуре акцептора £ квантовой яме.

4. При испускании оптических фононов горячими электронами i кв нтовой яме функция распределения электронов изотропизуетс* тем сильнее, 'чем больше ширина квантовой ямы.

5. Особенности спектральной зависимости коэффициента усиленш для ТЕ и ТМ мод инжекционного гетеролазера с одиночной квантовой ямой связаны с резкой перестройкой волновых функций дырок i квантовой яме при небольшом увеличении кинетической энергии и: движения в плоскости ямы.

Апробация работы и публикации: Основные результаты диссертации докладывались на XIV Всесоюзном совещании по Тоории полупроводников, Донецк, 1989; XI Всесоюзной квнференцни по физике полупроводников, Киев, 1990; ' Всесоюзной конференции по физическим процессам в гетеро структурах, Калуга, 1990; Координационном совещании секци "Полупроводниковые г^-тераструктуры" АН СССР, Рязань, 1991 Международных конференциях: 5th International Conference о: Superlattioee and. Miorostruotures, Berlin, 1990; 12th I EE International Semioc .duotor Laser СслГегепое, Bavos Switzerland, 1990; 33th Soottieh Summer Sohool in Physio "Physios of Nanostruotures", St.Andrews, Great Britain, 1990 International Confsrenoe on Luminescence (ICI.-93), Storrs, JSA 1993, а таю» на семинарах в ЭТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и друга

[аучных. учреждениях. Работам, вошедшим в диссертации, фисуадена вторая премия на конкурсе работ мо ' одах специалистов ¡ТИ в 1991 г. Часть работ, собранных в диссертации, вошла в 1икл, удостоеннчй премии Ученого Совета ФТИ за 1991 год.

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных тботах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, двух р-ложений и заключения, содержит 84 сраницы, включающие 17 мсунков и список литературы из 36 на"менований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении изложены причину появления работ, вошедших в [кссерташио, и дано кпаткое содержание диссертации.

Первая глава, посвященная межзонным оптическим переходам I квантовых ямах, содержит четыре параграфа. В атой главе гостроена теория оптической ориентации спинов и выстраивания мпульсов фотовозбужденных электронов в квантовых ямах, резуль-'аты которой используются в дальнейшем на протяжен, л всей дио-ертации.

В §Г.1 рассматривается симметрия волновых функций дырок в :имметричной квантовой яме. Рассчитаны энергетический спектр " ¡олновне функции дырок в бесконечно глубокой квантовой ямэ при роизвольном значении волнового вектора 5с в плоскости ямы.

В ¿1.2 получено выражение для матрицы плотности ютовозбужденных электронов в квантовой яме. При произвольной

поляризации возбуждающего луча, падающего вдоль оси 2, нормальной к плоскости квантовой ямы (ось [ООН), матрица плотности фотовозбуждешшх электронов в момент рождения имеет вид:

7о = "о ( * %\е1+егу\соа(Я})] * ^¿Л )>

где 6г и I - матрица Паули и единичная матрица, пг~" ие'е^-е^е*; - момент фотона, ф=-ф_-фв - угол межда

плоскостью преимущественно*. поляризации сь~та, где

соэ(2Фв) = [|ег|2-|еу|г)/|е^ +

а«п(арв) - (еЕе; * е2у\.

и ь-ктором, связанным с направлением Й (в сферичесю» приближении,совпадающим с этим направлением). Параметры а0 и э( определяют степень выстраивания импульсов и средний спш 4отовоз0укденных элек ронов в момент рождения при возбужденю плоскополавизованным светом и светом, поляризованным по кругу, соответственно. В приближении сферичес; л симметричной валентно! зоны най,. ¡ны универсальные для любых межзонных переходов зависимости а0 и 90 от отнс ения энергии движения фотовозбуаденно! дырки в плоскости квантовой ямы к ее полной энергии (с учето( размерного квантования). Эти' зависимости содержат единственшЛ параметр >л}/т - отношение м^ссы легкой да;ни к массе тяжело! дырки в объемном мэтериале. Анализ выражений для а0 и з0 показывает, .что при линейно поляризованной накачке электроны, рож,'' -ннне с максимальной кинетической энергией в плоскости ямы грлнсгть» выстроены по импульсу (а * )), если модуль их волно

вого вектора в плоскости квантовой ямы к больше или порядка величины (тг/тн)1/г/1, где Ъ - ширина квантовой ямы. В случав циркулярно поляризованной наквчки средний спм з0 электронов с такими же значениями волнового вектора к оказывается близким к нулю. В §1.2 приводятся зависимости а0, э0 и Р0 от к, рассчитанные для бесконечно глубокой квантовой ямы. Расчет >0 показывает, что при ненулевых значениях к разрешены все межзонные оптические перехода, запрещенные р приближении простой валентной зоны.

Оптическая ориентация спинов и выстраивание импульсов . электронов обычно детектируются по циркулярной и линейной поляризации рекомбинационного излучения. В §1.3 обсуждается поляризация фотолюминесценции горячих электронов в квантовых ямах. Анализ выражений для а0 и з0, полученных з §1.2, позволяет объяснить наблюдаемые в эксперименте [31 резкие зависимости линейной и циркулярной поляризации . горячей фотолюминесценции от длины волны возбувдаодиго света.

Результаты, полученные в §§ 1.1 и 1.2, используются в §1.4 для анализа ТЕ и ТМ мод инжекционного гетеролазегра с квантовой ямой.

Во второй главе диссертации рассмотрено влияние гофрировки валентной зоны на форму линии (§2.2) и поляризационные особенности (§2.3) ф.толюминесценции горячих электронов в квантовых ямах. Показано, что при монохроматическом возбуждении функция распределения ггчячих электронов по энергиям имеет два максимума по краям, причем какдый из этих максимумоз может Сыть возбужден только светом с определенной ор'лнтаци-эй плоскости

поляризации относительно кристаллографических осей. Эти максимумы отвечают движению электронов в направлениях (100) и Ш0> и дают различную поляризацию фотолюминесценции при рекомбинации зона-акцептор. При рекомбинации зона-зона степень анизотропии линейной поляризации зависит от энергии кванта возбуждающего света и от температуры.

В третьей главе рассмотрены особенности деполяризации ГФЛ структур с квантовыми ямами в магнитном поле. Теоретически исследовано влияние гофрировки валентной зоны на вид кривой Ханле при раз-ччник предположениях о структуре основного состояния акцептора в квантовой яме.

В четвертой главе диссертации рассмотрена деполяризация фотолюминесценции при испускании горячими электронами в квантовых ямах объемных Ю-фононов. Показано, что при испускании оптических фононов горячими электронами.с заданной кинетической энергией в плоскости квантовой ямы функция распределения электронов изотропизуется тем сильнее, чем больше ширина квантовой ямы.

В Приложении I обсуадается цилиндрическое приближение для описания энергетического спектра дырок в квантовых ямах.

В Приложении 2 приводится вывод формулы (2.7) основного текста.

В заключено! приводятся основные результаты работы: I. Построена теория оптической ориентации и выстраивания фотовозбуждешшх электронов в квантовых ямах. Показано, что при малом отношении масса легкой дырки к массе тяжелой дырки имеется аномально быстрый рост выстраивания импульсов и падение

ориентации спинов электронов с увеличением энергии их движения в плоскости ямы.

2. Рассчитаны зависимости линейной и циркулярной поляризации горячей люминесценции в направлении накачки на ее коротковолновом краю от энергии возбуждающих фотонов.

3. Разработанная теория оптической ориентации и выстраивания электронов в квантовых ямах используется для анализа ТЕ и ТМ оптических мод инжекционного гетеролазера с одиночной квантовой ямой.

4. Исследовано влияние гофрировки валентной зоны на линейную поляризацию фотолюминесценции горячих электронов в симметричной квантовой яме. Показано, что степень анизотропии поляризации излучения при рекомбинации зона-зона определяется энергией кванта возбуждающего света и температурой дырок.' Предсказано, что при рекомбинации горячих электронов с дырками на акцепторах степень анизотропии поляризации люминесценции должна - сильно изменяться в пределах бесфононного пика.

5. Рассмотрена деполяризация горячей фотолюминесценции в магнитном поле при рекомбинации двумерных электронов с дырками на акцепторах. Исследовано влияние гофрировки валентной зош на вид кривой Ханлв при различных предположениях о структуре акцептора в квантовой яме.

6. Изучена изотропиззцил импульсного распределения фотовозбуж-дешшх электронов в квантовой яме при испускании объемных 10-фоненов. Рассчитана деполяризация горячей фотолюминесценции в фононных осцилляциях.

Основные результаты диссьртации опубликованы в следующих работах:

1. Портной М.Е., Роскин П.Л. - Выстраивание импульсов фотовоз-бувденных электронов в квантовых ямах.// Тезисы XIV Всесоюзного совещания по теории полупроводников. Донецк 1989. С.96.

2. Merkulov I.A., Perel V.l., Portnoi U.E. - Theory of Optioal Orientation and Alignment in Quantum Wells.// Superlattioee and Miorostruoturee. 1991. V.10. N.3. P.371-374.

3. Меркулов И.А., Перель В.И., Портной М.Е. - Выстраивание импульсов и ориптания спинов фотовозбужденньи. электронов в квантовых ямах. // ЖЭТФ. 1991. Т.99. В.7. C.I202-I2I4.

4. Портной М.Е. - Анизотропия линейной поляризации фотолюминесценции горячих электронов в квантовых ямах // Ф"Т1. 1991. Т.99. В.12. C.2I50-2I57.

5. Перель В.И., Портной М.Е. - Влияние магнитного поля на линейную соляризацию фотолюминесценции горячих электронов в квантовых ямах. // ФГП. 1992. Т.26. В.12. C.2II2-2II7.

6. Avratin Е.А., Chebunina I.E., Eliaehevioh I.A., Gurevioh S.A., Portnoi U.E., and Shtengel O.E. - TE and TM optioal gains in AIiOaAa/GaAs вingle-quantum-well laeers. // Semioond. Soi. Teohnol. 1993. V.8. N.1. P.80-87.

7. Портной Ы.Е. - Деполяризация фотолюминесценции при испускании огггических пионов горячими электронами в квантовых ямах.// ФГП. 1993. Т.47. В.З. С.Б23-526.

ЩС.ЛРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА I. Захарченя БЛ., Зембкий В.И., Мирлин Д.Н. - Поляризация

•орячей фотолюминесценции в полупроводниках типа ОаАв. //Письма 1 ЗКЭТФ. 19Т6. Т.24. В.2. С.96-99.

!. Захарченя Б.П., Мирлин Д.Н., Перель В.И., Решина И.И. -'.пектр и поляризация фотолюминесценции горячих электронов в юлупроводниках // УФН. 1982. Т.136. В.З. С.459-499. I. Копьев П.С., Мирлин Д.Н., Поляков Д.Г., Решина И.И., Сапега |.Ф., Сиренко А.А. - Фотолюминесценция горячих двумерных лектронов в квантовых ямах и определение времен полярного 1ассеяния. //ФТП. т990. Т.24. В.7. C.I200-I208. . Kash J.A., Zaohau М., Tieohler М.А., and Ekenberg U. -nieotropio valenoe, bands In quantum wellss quantitative omparison of theory and experiment. // Phya. Rev. betters. 992. 7.69. N.15- P.2260-2263.

РГП ШЯ$,зак.П8,тир. 100,уч.-изд.л.0,6; 22/П-1934г. Бесплатно