"Физика и техника полупроводников"
Вышедшие номера
Сверхизлучение Дике в квантовых гетероструктурах при оптической накачке
Климовская А.И.1, Гуле Е.Г.1, Дрига Ю.А.1
1Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины Киев, Украина
Поступила в редакцию: 5 декабря 2000 г.
Выставление онлайн: 20 января 2002 г.

Введение В гетероструктурах с квантовыми ямами методом инжекции или оптической накачки легко создать высокие плотности экситонов - диполей. В условиях, когда расстояние между диполями становится меньше или порядка длины волны излучения, но достаточно большое, чтобы пренебречь диполь-дипольным взаимодействием, в поле электромагнитной волны может происходить их спонтанная фазировка, приводящая к формированию сверхизлучения Дике (СИ) [1]. СИ исследовалось на многих объектах [2]. В последние годы интерес к СИ связан с разработкой длинноволновых лазеров на квантовых InGaAs-гетероструктурах. В работах [3-5] исследовалось СИ и его особенности на In0.15Ga0.85As-структуре при накачке током. В настоящей работе приведены результаты исследования СИ в подобных структурах с разными параметрами роста (концентрацией In, толщиной квантовой ямы, легированием) при оптической накачке. Показано, что при уровнях возбуждения <17 мВт/мм2 спектры удовлетворительно описываются зависимостью, характерной для СИ. Высказана предположительная модель влияния delta-легирования подложки на СИ. Экспериментальные результаты и их обсуждение Исследованы спектры спонтанного излучения гетероструктур с одиночной квантовой ямой (КЯ) InxGa1-xAs в GaAs, выращенных методом MOCVD (газофазной эпитаксии из металлорганических соединений). Толщины квантового слоя были в пределах d=70-100 Angstrem, содержание атомов In x=0.16-0.35. Некоторые образцы содержали в подложке на расстоянии 300 Angstrem от КЯ delta(Ge)-легированный слой. Оптическая накачка проводилась He-Ne-лазером (длина волны 6328 Angstrem), максимальная мощность пучка составляла ~17 мВт/мм2. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировалиь на модифицированном комплексе КСВУ-23 при температуре ~100 K. Возбуждающий поток ослаблялся нейтральными фильтрами. Спектры снимались с поверхности образцов, специальных мер для подавления лазерной генерации не предпринималось. Однако слабое изменение внешнего квантового выхода и формы спектра с изменением интенсивности возбуждения позволяет сделать вывод, что лазерная генерация отсутствует. [!b] Спектры фотолюминесценции гетероструктур с одиночной квантовой ямой InxGa1-xAs при разных уровнях возбуждения. Образец S2: In0.35Ga0.65As, d=73 Angstrem, delta(Ge)-легирование, уровень возбуждения (сверху вниз) - 17, 6.8, 1.14, 0.374 мВт/мм2; образец S1: In0.16Ga0.84As, d=84 Angstrem, уровень возбуждения (сверху вниз) - 17, 11.22, 5.61, 3.4, 1.14 мВт/мм2. Штриховая линия - аппроксимация с использованием выражения (1). На рисунке показаны спектры спонтанного излучения I(E) при разных уровнях возбуждения: для образца S1 с d=84 Angstrem, x=0.16 и для образца S2 с d=73 Angstrem, x=0.35, содержащего delta-легированный слой. Представленные на рисунке спектры ФЛ образца S1 и низкоэнергетическое "крыло" спектров ФЛ образца S2 аппроксимировались зависимостью I~ A/ch( pitauN(E-E0)/(h) ), (1) где h=h/2pi - постоянная Планка, E0 - спектральное положение максимума интенсивности (Imax), tauN - время спонтанного перехода кластера в невозбужденное состояние. Время tauN выражается формулой [4] tauN=taui/(Nmu+1). (2) Здесь N - число диполей в кластере, taui - время излучения одиночного диполя, mu - фактор формы излучателя. Для области излучения цилиндрической формы (наш случай) форм-фактор равен [6] mu=3lambda2/8pi S, (3) где lambda - длина волны излучения, S - основание цилиндра. Полученная экспериментально форма спектра, которая удовлетворительно описывается выражением (1) (см. рисунок, штриховая линия), свидетельствует о том, что основная часть излучения сформирована СИ, хотя присутствует доля некогерентного излучения. По наклону низкоэнергетической части спектров была построена зависимость tauN от уровня возбуждения. Изменение мощности от 0.35 до 17 мВт/мм2 заметно не изменяло tauN. Так, для образца S1 <tauN(1)>~(64.73±2.69) фс, lambda(1)=918 нм и для S2 <tauN(2)>~(38.39±3.92) фс, lambda(2)=992 нм. В условиях, когда форма спектра в основном определяется сверхизлучением, Nmu>> 1, tauN=taui/Nmu. Подставляя экспериментальные значения tauN и lambda для S1 и S2 и учитывая одинаковую геометрию наблюдения, получаем, что taui/N для разных образцов различается в ~1.69 раза. Причинами такого различия являются различия taui и N. Различие taui можно объяснить исходя из представлений о качестве и количестве дефектов, которые формируются в структурах такого типа. С ростом концентрации дефектов (формирование дефектов обусловлено несоответствием параметров решетки и толщиной квантового слоя, превышающего критическую толщину [7]) в такой системе резко снижается время жизни носителей (taui(1)>> taui(2)). Однако если исходить из полуширины линии, то времена жизни для данных образцов различаются примерно в 3 раза, в то время как отношения taui/N различаются лишь в 1.69 раза. Это, очевидно, указывает на различие N. Следует отметить, что в спектрах образца S2 (рисунок) сильно деформировано высокоэнергетическое "крыло" спектра. Очевидно, это вызвано заполнением квантовых подзон электронами delta-слоя. Исходя из этого, в качестве объяснения различия отношений taui/N можно предположить, что в присутствии большой концентрации свободных носителей, вызванной delta-легированием в образце S2, взаимодействие диполей с электромагнитным полем волны ослабляется и количество диполей N, формирующих кластер, уменьшается. В предельном случае, когда концентрация свободных носителей n->бесконечность, N-> 0 и tauN->taui, при этом СИ переходит в нормальное спонтанное излучение независимых диполей. Избыток свободных носителей в значительной мере ослабляет связь между диполями, в результате чего уменьшается доля излучения, сформированная СИ, и увеличивается доля обычного спонтанного излучения. Авторы благодарят проф. В.Г. Литовченко и проф. П.М. Томчука за плодотворное обсуждение результатов.
  1. R.H. Dicke. Phys. Rev., 93, 99 (1954)
  2. А.В. Андреев, В.И. Емельянов, Ю.А. Ильинский. УФН, 131 (4), 653 (1980)
  3. С.В. Зайцев, А.М. Георгиевский. ФТП, 32 (3), 366 (1998)
  4. А.М. Георгиевский, С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, В.И. Копчатов, Л.Я. Карачинский, И.И. Новиков, П.С. Копьев. ФТП, 33 (7), 847 (1999)
  5. С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, Z.A. Graham, В.И. Копчатов, Л.Я. Карачинский, И.И. Новиков, D.Z. Huffaker, П.С. Копьев. ФТП, 33 (12), 1456 (1999)
  6. R. Friedberg, S.R. Hartmann. Phys. Rev. Lett. A, 37, 285 (1971)
  7. N.N. Grigor'ev, E.G. Gule, A.I. Klimovskaya, Yu.A. Korus, V.G. Litovchenko. Ukr. J. Phys., 45 (7), 853 (2000)

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.