Интегральное поглощение как функция отклика экситонных поляритонов в полупроводниковых кристаллах, твердых растворах и множественных квантовых ямах

С момента предсказания экситона Френкелем [1] прошло 76 лет. В течение 50 лет созданная Пекаром «теория электромагнитных волн в кристалле, в котором возникают экситоны» [2], привлекает внимание исследователей.

Слово экситоника давно включено в толковые словари, но только в последнее десятилетие технологические возможности науки позволили реализовать первые прототипы экситонных приборов (например, контролируемый экситонный транспорт на расстояния до 1 мм [20]). Для управления экситонными приборами требуется значение энергии, сравнимое со значением экситонной энергии связи, что существенно меньше разницы энергий соответствующих уровней электронно-дырочных переходов.

Для управления экситон-поляритонными приборами требуется еще меньшее значение энергии, сравнимое со значением энергии продольно-поперечного расщепления. Экситонный поляритон является собственным элементарным возбужденным состоянием кристалла, возникающим в результате взаимодействия распространяющейся в кристалле световой волны с экситонной поляризацией.

Свойства экситонных поляритонов являются определяющими в физике полупроводниковых микрорезонаторов. Смешанная экситон-фотонная природа поляритонов делает перспективным создание на их основе низкопороговых «поляритонных лазеров» и сверхбыстрых оптических переключателей.

Несомненно, существование в полупроводниковых кристаллах добавочных световых волн, возникающих из-за наличия неоднозначности в дисперсионных соотношениях, связанной с пространственной дисперсией, подтверждено многочисленными разнообразными экспериментальными методами [10].

Данная работа выделяет интегральное поглощение как наиболее информативную функцию отклика экситонных поляритонов, как метод экспериментального подтверждения и исследования экситон-поляритонной природы светопереноса вблизи края фундаментального поглощения и определения материальных параметров полупроводниковых кристаллов.

Интегральная спектроскопия традиционно используется для определения силы осциллятора в системах с диссипацией, в которых энергия, поглощаемая системой в максимуме, обратно пропорциональна параметру затухания (осциллятор Лоренца). Нарушение постоянства интегрального поглощения свидетельствует об изменении закона поглощения энергии, и связано либо с изменением дисперсионных характеристик осцилляторов, либо с появлением между ними взаимодействия. В случае экситон-поляритонного светопереноса интегральное поглощение не является постоянной величиной, что объясняется эффектом пространственной дисперсии для полупроводниковых кристаллов, и резонансным взаимодействием экситонов, локализованных в квантовых ямах структур пониженной размерности.

Экситонные поляритоны распространяются без истинного поглощения света, поглощение энергии происходит только при нерадиационном распаде экситонов в результате взаимодействия с диссипативной подсистемой. Интегральное поглощение позволяет обнаружить свидетельства поляритонной природы светопереноса без детального рассмотрения кинетических процессов диссипативного рассеяния экситонов.

Объектом исследования в настоящей работе были сверхтонкие образы высокосовершенных полупроводниковых кристаллов, твердых растворов и образцы с множественными квантовыми ямами.

Целью работы было исследование методами оптической спектроскопии интегрального поглощения как функции отклика экситонных поляритонов в области экситонных резонансов края фундаментального поглощения и теоретический анализ результатов исследований.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

— исследование и анализ зависимости интегрального поглощения высокосовершенных полупроводниковых кристаллов, полупроводниковых твердых растворов и структур с множественными квантовыми ямами от параметра затухания,.

— исследование и анализ температурной зависимости ширины линии поглощения соответствующей экситонным резонансам и температурной зависимости параметра нерадиационного затухания,.

— определение параметров экситонных поляритонов в исследуемых образцах полупроводниковых кристаллов и твердых растворов.

Для решения поставленных задач были выбраны следующие методы:

— Использование температуры как фактора, изменяющего параметр затухания экситонных поляритонов,.

— Изучение ' температурно-зависимого поглощения стандартными методиками спектрального анализа измерением пропускания и отражения,.

— Использование для измерения пропускания сверхтонких образцов высокого кристаллофизического совершенства и применение специальной техники их свободой упаковки,.

— Совместная регистрация и обработка спектров пропускания и отражения для устранения модуляции спектров осцилляциями интерференции Фабри-Перо,.

— Использование методов контурного анализа для выделения интересующих линий поглощения из общего спектра.

— Выделение истинного параметра нерадиационного затухания исключением вклада неоднородного уширения из наблюдаемой ширины линии поглощения.

Научная новизна настоящей работы заключается в том, что большинство экспериментальных данных получено впервые:

— Впервые исследовано температурно-зависимое поглощение образцов полупроводниковых кристаллов ОаАэ в интервале температур 4.2−400К,.

— Впервые исследовано температурно-зависимое интегральное поглощение образцов полупроводниковых кристаллов 1пР,.

— Впервые исследовано температурно-зависимое поглощение образцов короткопериодных сверхрешеток с множественными квантовыми ямами GaAsZAlo.3Gao.7As,.

— Впервые исследовано температурно-зависимое поглощение образцов длиннопериодных структур с различным числом квантовых ям? ПхОа^АзЛЗаАз,.

— Впервые получены экспериментальные подтверждения соответствия интегральных характеристик поглощения экситон-поляритонному светопереносу с участием механизма локализованных экситонов.

Научная и практическая значимость настоящей работы заключается:

— в установлении критерия существования экситонных поляритонов в полупроводниковых кристаллах, твердых растворах и структурах с множественными квантовыми ямами,.

— в формировании процедуры выделения истинного нерадиационного затухания путем исключения из наблюдаемой ширины линии поглощения вклада неоднородного уширения, для последующего анализа взаимодействия экситонов с рассеивателями в рамках основных диссипативных механизмов,.

— в экспериментальном определении значений энергии продольно-поперечного расщепления и критического параметра затухания,.

— в экспериментальном определении диапазона рабочих температур, в котором могут использоваться приборы на экситонных поляритонах.

Основные научные положения выносимые на защиту:

1. Температурная зависимость интегрального поглощения линии основного экситонного состояния в полупроводниковых кристаллах ваАБ и 1пР количественно и качественно описывается теорией экситон-поляритонного светопереноса с участием механизма свободных экситонов. Максимальное значение интегрального поглощения при температурах выше критической позволяет экспериментально определить значение энергии продольно-поперечного расщепления.

2. Температурно-зависимое интегральное поглощение в короткопериодных сверхрешетках GaAsZAlo.3Gao.7As имеет низкотемпературную особенность характерную для полупроводниковых кристаллов. При отклонении направления светопереноса от нормали структуры, эта особенность может быть интерпретирована как экситон-поляритонный светоперенос в модели эффективной среды, учитывающей эффект пространственной дисперсии, аналогично поглощению в полупроводниковых кристаллах.

3. При низких температурах светоперенос в области края фундаментального поглощения в полупроводниковых твердых растворах Alo.15Gao.85As высокого кристаллофизического совершенства имеет поляритонный характер. Критерием существования экситонных поляритонов является наличие участка «аномального» роста интегрального поглощения в области низких температур, соответствующих значениям параметра затухания ниже критического.

4. Низкотемпературная особенность интегрального поглощения линии основного состояния экситона уровня тяжелой дырки НН1Е1 в длиннопериодных структурах с множественными квантовыми ямами ЬхОа^АБ/ваАБ может быть интерпретирована как экситон-поляритонный светоперенос с участием механизма переизлучения локализованных в квантовых ямах экситонов без их «механического» переноса.

5. В полупроводниковых кристаллах ваАэ, 1пР и твердых растворах Alo.15Gao.85As наблюдаемая при низких температурах ширина линии поглощения основного экситонного состояния преимущественно определяется вкладом неоднородного уширения. Неоднородное уширение не влияет на проявление механизмов интегрального поглощения и может быть исключено из рассмотрения при выделении истинного нерадиационного затухания и определении материальных параметров.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в научных журналах [5], [9], [12], [17], а также в материалах 4 научных конференций [3], [4], [16], [18].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 170 страниц, 59 рисунков, 79 библиографических ссылок.

Результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Проведенные экспериментальные исследования интегрального поглощения образцов полупроводниковых кристаллов демонстрируют качественное и количественное соответствие экспериментальных данных с теоретическими расчетами и свидетельствуют об экситон-поляритонном характере светопереноса в области края фундаментального поглощения. Экспериментально определенные значения продольно-поперечного расщепления и критического параметра затухания имеют высокую точность, так как их расчет производится на основании большого значения интегрального поглощения при высоких температурах.

2. Экспериментальная регистрация спектров пропускания полупроводниковых кристаллов с большим коэффициентом поглощения оказалась возможной при использовании сверхтонких, свободно упакованных образцов.

3. Для исследованных образцов определены критические температуры экситон-поляритонного светопереноса. Полученные значения могут быть использованы при создании экситон-поляритонных приборов.

4. Показано что экспериментально наблюдаемая ширина линии поглощения не соответствует истинным значения параметра нерадиационного затухания, а определяется неоднородным уширением и существенно превышает значение энергии продольно-поперечного расщепления. Значение истинного параметра нерадиационного затухания может быть выделено исключением из наблюдаемой ширины линии вклада неоднородного уширения. При этом продемонстрировано, что при учете основных диссипативных механизмов экспериментально определенные значения констант, описывающих температурные зависимости наблюдаемой ширины линии, и истинного параметра затухания существенно отличаются. Неоднородное уширение не препятствует проявлению экситон-поляритонных эффектов и не вносит вклад в интегральное поглощение.

5. Примененная совместная регистрация спектров пропускания и отражения позволила произвести реконструкцию спектров поглощения, в которых практически полностью отсутствует модулирующее влияние осцилляций интерференции Фабри-Перо.

6. Применение методики контурного анализа является необходимым условием адекватного выделения контуров исследованных линий поглощения из общего спектра. Большинство экспериментальных результатов не может быть получено методом непосредственного вычитания базовой линии из общего спектра.

7. Впервые низкотемпературная особенность интегрального поглощения, соответствующая экситон-поляритонному светопереносу, экспериментально обнаружена в квантоворазмерных структурах. В короткопериодных структурах квантовых ям эта особенность может быть объяснена в рамках модели однородной среды, учитывающей эффект пространственной дисперсии при отклонении направления светопереноса от нормали. Впоследствии, для объяснения обнаруженной экситон-поляритонной особенности поглощения, была создана теория экситон-поляритонного светопереноса с участием механизма локализованных экситонов для структур с конечным числом квантовых ям. Определяемая данной теорией зависимость интегрального поглощения в длиннопериодных структурах впервые экспериментально подтверждена исследованием, проведенным в настоящей работе.

8. Впервые исследованное температурно-зависимое поглощение в полупроводниковых твердых растворах показало экситон-поляритонный характер светопереноса в области края фундаментально поглощения. В полупроводниковых твердых растворах возможно существование двух различных механизмов экситон-поляритонного светопереноса. В исследуемых образцах вид зависимости интегрального поглощения качественно аналогичен виду зависимости интегрального поглощения «основного» полупроводника.

9. Впервые методом интегрального поглощения были исследованы объекты с различными механизмами распространения экситонных поляритонов. Обобщение результатов исследования позволяет считать интегральное поглощение эффективным методом экситон-поляритонной спектроскопии и экспериментальным критерием подтверждения существования экситон-поляритонного характера светопереноса.

Автор благодарит своего научного руководителя Рубена Павловича Сейсяна без которого данная работа была бы невозможной. Автор выражает благодарность Наталье Дмитриевне Ильинской за незаменимые услуги в изготовлении образцов, Владимиру Васильевичу Криволапчуку за любезно предоставленный для температурных измерений криостат, Сергею Ильичу Кохановскому за посильную помощь, а также сотрудникам лаборатории физической и функциональной электроники проявившим участие и терпение.

Заключение

.

В работе выполнено комплексное сравнительное исследование температурно-зависимого интегрального поглощения в сверхтонких образцах высокосовершенных полупроводниковых кристаллов, твердых растворов и гетероструктур с множественными квантовыми ямами.