Экситонные поляритоны в широких квантовых ямах GaAs/AlGaAs и CdTe/CdZnTe тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Логинов, Дмитрий Константинович

• Логинов, Дмитрий Константинович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Логинов, Дмитрий Константинович

Введение.

Глава 1. Экситонные поляритоны в квантовых ямах.

1.1 Теоретические модели. а) Дисперсия экситонного поляритона в модели, рассматривающей вклад как лёгких, так и тяжёлых дырок. б) Граничные условия для случая зоны, состоящей подзон экситонов тяжёлой и лёгкой дырки. в) Гамильтониан экситона в магнитном поле без учёта движения центра масс.

1.2 Экспериментальные результаты и их теоретический анализ. а) Спектры отражения света от гетеростуктур с КЯ. б) Наблюдение спектров отражения света от структур с широкой квантовой ямой во внешнем магнитном поле.

Краткие выводы.

Глава 2. Краткое описание образцов и расчётных методик, использованных в исследованиях. а) Структура исследуемых образцов. б) Метод матриц переноса.

Глава 3. Расчёт спектров отражения многослойных гетроструктур, содержащих широкую квантовую яму GaAs/AlGaAs.

Результаты расчёта спектров отражения в рамках поляритонной модели.

Краткие выводы.

Глава 4 Экситонный поляритон, связанный с оптически активными и оптически неактивными ls-состояниями, в широкой квантовой яме CdTe/CdZnTe в магнитном поле.

4.1 Учёт взаимодействия оптически активных и оптически неактивных ls-состояний в поперченном магнитном поле (геометрия Фохта).

4.2 Результаты расчёта спектров отражения в модели поляритонов в магнитном поле. а) Моделирование экспериментальных спектров отражения в структуры CdTe/CdZnTe в относительно небольших магнитных полях. б) Увеличение эффективной трансляционной массы экситона во внешнем магнитном поле в геометрии Фохта. Определение величины электронного g -фактора.

Краткие выводы.

Глава 5 Экситонный поляритон в широкой квантовой яме CdTe/CdZnTe в магнитном поле, с учётом взаимодействия основного состояния Is с возбуждённым состоянием 2р.

5.1 'Гамильтониан Латтинжера с учётом магнитоиндуцированного смешивания основного и возбуждённого экситонных состояний за счёт возмущения зависящего от К. Общий вид волновых функций смешанных состояний в поляритонной модели.

5.2 Дисперсионная зависимость поляритонных мод, вывод выражений для диэлектрической функции среды с учётом возмущения зависящего от К. Моделирование спектров отражения в относительно больших полях в рамках подхода, учитывающего возмущение за счёт членов зависящих от К. Определение величины эффективной массы экситона по эффекту магнитоиндуцированного увеличения М}г.

Краткие выводы.

Основные результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экситонные поляритоны в широких квантовых ямах GaAs/AlGaAs и CdTe/CdZnTe»

Изучение экситонных состояний в низкоразмерных твёрдотельных системах представляет собой одну из важнейших задач физики* конденсированного состояния. Исследования таких состояний весьма интересны и актуальны в плане практических применений в оптоэлектронике и лазерной технике, а также с точки зрения развития фундаментальных представлений о физике явлений, возникающих в твёрдотельных структурах.

Исследования оптических спектров низкоразмерных систем; таких как квантовые ямы (КЯ) являются перспективными для получения информации о экситонных состояниях вдали от энергии основного перехода, поскольку размерное квантование движения экситонна в широкой КЯ позволяет наблюдать состояния с высокой кинетической энергией, что невозможно для объёмных материалов (например, [1]).

Несмотря на то, что исследования структур с широкими КЯ ведутся не первое десятилетие ([2-15]), в- этой области физики конденсированного состояния осталось немало пока что не решённых задач. Так, например, разработана и давно используется модель экситонного поляритона в КЯ, (например [2-6]). Однако, несмотря на это, для ряда гетерсотруктур, до сих пор не выполнены количественные расчёты оптических спектров, включающие контурный анализ. Среди таких неисследованных объектов можно выделить, например, структуры с КЯ GaAs/AlGaAs. То обстоятельство, что для столь широко исследованных ранее и перспективных для практического применения материалов до сих пор не выполнен детальный анализ поляритонных спектров, является определённым упущением для физики твёрдого тела, которое следует восполнить. Этим обстоятельством обосновывается актуальность первой части работы, которая посвящена анализу спектров отражения структур с широкими КЯ GaAs/AlGaAs.

Среди других интересных задач физики конденсированного состояния, которые требуют своего решения, следует отметить исследование влияния внешних воздействий на экситонные спектры отражения от гетероструктур с широкими КЯ, в частности эффекты внешнего магнитного поля. Магнитоэкситоны в полупроводниках изучаются не первое десятилетие, но большинство ранее выполненных работ, как экспериментальных, так и теоретических, посвящены объёмным материалам [17-28]. Только относительно недавно были опубликованы первые работы, посвященные экспериментальному исследованию размерного квантования экситонов во внешнем магнитном поле. Эксперименты показали, что оптические спектры экситонных поляритонов в КЯ при приложении магнитного поля позволяют наблюдать ряд необычных эффектов, которые не проявляются в отсутствие магнитного поля как в объемных материалах, так и в низкоразмерных структурах. Количественный анализ соответствующих спектров отражения света до настоящего времени не проводился, поскольку не была создана модель, описывающая такую экспериментальную ситуацию. Расчёт оптических спектров экситонных поляритонов в широкой КЯ во внешнем магнитном поле, которому посвящена значительная часть диссертации, является перспективной задачей, в силу того обстоятельства, что наблюдаемые в экспериментах эффекты являются яркими, новыми и требуют для своего объяснения новых теоретических подходов.

Настоящая работа посвящена теоретическому анализу механизмов формирования спектров зеркального отражения света от квантоворазмерных систем на основе полупроводниковых кристаллов GaAs и CdTe, включая учет воздействия внешнего магнитного поля. Таким образом, выбранная тема диссертации и направление работ представляют, с одной стороны, фундаментальный интерес для физики конденсированного состояния, являясь, с другой стороны, несомненно, важными с практической точки зрения, когда речь идет о создании экситон-поляритонных устройств нового поколения с низким энергопотреблением (таких как экситонные лазеры [13]) и сверхбыстрых оптических переключателей ([14]).

Научная новизна работы. Впервые были получены следующие результаты:

1. Выполнены расчёты спектров отражения света от структур с широкими КЯ GaAs/AlGaAs в рамках модели интерференции поляритонных волн, учитывающей вклады как лёгких, так и тяжёлых экситонов. Показано, что в спектрах отражения проявляются особенности, обусловленные влиянием лёгкого экситона. Расчётные спектры хорошо описывают полученные экспериментальные данные. Установлены значения параметров экситонного резонанса с учётом сложной структуры экситонной зоны (эффекты лёгкой и тяжёлой дырок), определена величина обратного времени жизни лёгкого экситона.

2. Продемонстрировано, что модель интерференции объёмных поляритонных волн корректно описывает эксперимент для структур GaAs/AlGaAs с широкой КЯ (толщина КЯ, по крайней мере, на порядок превышает размер боровского радиуса экситона: -150 нм для GaAs).

3. Развита теория формирования спектров отражения света от гетероструктур CdTe/CdZnTe с широкими КЯ с учётом эффектов смешивания оптически активных и неактивных экситонных состояний под действием магнитного поля в геометрии Фохта. Достигнуто хорошее совпадение результатов теоретического расчёта с экспериментальными спектрами. Показано, что появление дополнительных осцилляций в высокоэнергетической области экспериментальных спектров связано с уровнями размерного квантования оптически неактивных экситонов.

4. Обнаружен эффект магнитоиндуцированной анизотропии трансляционной массы экситона, проявляющийся в увеличении массы экситона в направлении движения, перпендикулярном приложенному магнитному полю. Спектры отражения рассчитаны в рамках модели, рассматривающей смешивание Is и 2р состояний за счёт квадратичных по волновому вектору к членов в гамильтониане Латтинжера.

Научная и практическая ценность.

Полученные в работе оценки величин обратного времени жизни лёгкого и тяжёлого экситонов в GaAs могут оказаться значимыми при конструировании экситонных устройств и приборов, таких как, например, поляритонные лазеры, в которых значительную роль играют процессы рассеяния. Разработанная модель интерференции поляритонных мод в КЯ во внешнем магнитном поле является оригинальной и позволяет из экспериментов по измерению спектров отражения, оценить величину параметров Латтинжера при квадратичных по к членах гамильтониана.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Спектры отражения света от гетероструктур GaAs/AlGaAs с широкими КЯ в спектральной области основного экситонного состояния содержат особенности, связанные с вкладом не только тяжёлых, но и лёгких экситонов. Время жизни лёгких экситонов в исследуемых структурах меньше времени жизни тяжёлых экситонов.

2. Модель интерференции объёмных поляритонных мод применима для описания спектров отражения света от полупроводниковых гетероструктур с широкими КЯ (толщиной, превышающей, по крайней мере, на порядок боровский радиус экситона).

3. «Возгорание» уровней размерного квантования оптически неактивных экситонных состояний в спектрах отражения света от структур с широкими КЯ CdTe/CdZnTe при приложении внешнего магнитного поля в геометрии Фохта связано с магнитоиндуцированным смешиванием оптически активных и неактивных состояний.

4. Приложенное внешнее магнитное поле оказывает влияние на трансляционное движение экситона, приводя к магнитоиндуцированной анизотропии трансляционной массы экситона и увеличению её значения в направлении движения, перпендикулярном вектору напряжённости магнитного поля.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: 6th International

Conference on Excitonic processes in condensed matter 6-9 July 2004; Poland; VI всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия 2004; th

13 International symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St Petersburg, Russia, 2005; XXXVI international school on the physics of semiconducting compounds, Poland.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Логинов, Дмитрий Константинович

Основные результаты.

1. В спектрах отражения гетероструктур с КЯ GaAs/AlGaAs идентифицированы особенности, обусловленные вкладом лёгких экситонов. Основной вклад в спектры отражения гетероструктуры GaAs/AlGaAs вносят тяжёлые экситоны. Вклад лёгких экситонов в спектрах проявляется заметно только в спектральной области близкой к энергии основного состояния лёгкого экситона.

2. В результате сопоставления теоретических спектров с экспериментальными, полученными при исследовании гетероструктур с широкими КЯ GaAs/AlGaAs установлено, что значение параметра затухания (обратного времени жизни) для лёгких экситонов на порядок превышает соответствующее значение для тяжёлых экситонов.

3. Установлено, что модель объемных поляритонных мод корректно описывает наблюдаемые спектры отражения при толщинах КЯ GaAs в гетероструктурах GaAs/AlGaAs, превосходящих 150 nm, то есть при толщинах, по крайней мере, на порядок превышающих боровский радиус экситона в объёмном материале.

4. Развита теоретическая модель, описывающая интерференцию поляритонных волн в КЯ на основе структуры CdTe/CdZnTe с учётом смешивания в магнитном поле оптически активных экситонных состояний Is (с полным моментом 1), оптически неактивных состояний Is (с полным моментом 2) и возбужденных состояний 2р.

5. Установлено, что обнаруженные дополнительные осцилляции в спектрах отражения гетероструктур с КЯ CdTe/CdZnTe в магнитном поле, превышающем 4Т, возникают вследствие магнитоиндуцированного смешивания оптически активных и оптически неактивных экситонных состояний и соответствует уровням энергии размерного квантования последних.

6. Из сопоставления экспериментальных и теоретических спектров отражения для гетероструктур с КЯ CdTe/CdZnTe в магнитном поле получено значение gc = 2.27 электронного g-фактора для CdTe, которое хорошо согласуется с известным значением в объёмных материалах CdTe. Тем самым подтверждена справедливость развитой модели интерференции поляритонных волн с учётом магнитоиндуцированного смешивания оптически активных и оптически неактивных экситонных состояний.

7. При анализе экспериментальных данных для гетероструктур с КЯ CdTe/CdZnTe в рамках развитой модели обнаружено магнитоиндуцированное увеличение эффективной массы экситона с ростом напряжённости внешнего магнитного поля, поперечного по отношению к направлению распространения света. Увеличение массы экситона связано со смешиванием основного (Is) и возбуждённого (2р) экситонных состояний.

9. На основе анализа спектров отражения от гетероструктур CdTe/CdZnTe получена оценка величины эффективной массы экситона М/,=0.76 для квадратичных по волновому вектору членов в гамильтониане Латтинжера кристаллов CdTe.

В заключение выражаю глубокую благодарность тем, без кого не состоялась бы настоящая работа: Александру Викторовичу Селькину, научному руководителю, Ивану Владимировичу Игнатьеву и Владимиру Петровичу Кочерешко за постановку научных задач и всестороннюю поддержку при работе над диссертацией; так же хочу поблагодарить Алексея Владимировича Платнова и Илью Яковлевича Герловина за плодотворное обсуждение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Логинов, Дмитрий Константинович, 2008 год

1. В.А. Киселёв, Б.В. Новиков, А.Е. Чередниченко, Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников, издательство С. — Петербургского университета, 2003.

2. В. А. Киселев, И. В. Макаренко, Б. С. Разбирин, И. Н. Уральцев, Размерное квантование экситонов, ФТТ 20, 8, (1977) 1348-1355

3. С.А.Марков, Р.П.Сейсян , В.А.Кособукин, Спектроскопия экситонных поляритонов в напряженных полупроводниковых структурах AnBVI с широкими квантовыми ямами, ФТП, 38, 2, (2004) 230-236

4. Azucena-Coyotecatl Н.; Grigorieva N.R.; Kazennov В.A.; Madrigal-Melchor J.;Novikov B.V.; Perez-Rodrguez F.l; Sel'kin A.V., Optical spectroscopy of near-surface excitonic states, Thin Solid Films, 373, (2000) 227-230

5. Y.Chen, A.Tredicucci, F.Bassani, Bulk exciton polaritons in GaAs microcavities, Phys.Rev.B, 52, 3, (1995) 1800-1805

6. N. Tomassini, A. D'Andrea, R. Del Sole, H. Tuffigo-Ulmer and R. T. Cox, Center-of-mass quantization of excitons in CdTe/Cdi^Zn^Te quantum wells,

7. Phys. Rev. B, 51, 8, (1995) 5005-5012

8. Н.Н.Ахмедиев, М.И. Сажин, A.B. Селькин, Неоднородные граничные условия для экситона Ванье-Мотта ЖЭТФ 96, 2, (1989) 720-734

9. M. Betz, G. Goger, A. Leitenstorfer, M. Bichler, G. Abstreiter and

10. W. Wegscheider, Nonlinear optical response of highly energetic excitons in GaAs: Microscopic electrodynamics at semiconductor interfaces, Phys. Rev. B, 65, (2003) 085314-1-085314-12,

11. L.Schultheis and K.Ploog, Quantization of excitonic polaritons in thin GaAs layers, Phys.Rev.B, 29, 12, (1984) 7058 -7061

12. U. Ozgiir, A. Teke, C. Liu, S.-J. Cho, and H. Morko9, H. O. Everitt, Stimulated emission and time-resolved photoluminescence in rf-sputtered ZnO thin films, Appl. Phys. Lett, 84, (2004) 3223-3225

13. S. V. Frolov, M. Liess, P. A. Lane, W. Gellermann, and Z. V. Vardeny, M. Ozaki and K. Yoshino, Exciton Dynamics in soluble Poly( p-phenylene-vinylene): Towards an Ultrafast Excitonic Switch, Phys. Rev. Lett. 78, (1997) 4285-4288

14. G.Fishman, Polariton effect in degenerate valence band semiconductors, Polariton effect in degenerate valence band semiconductors, Solid State Communications 27, (1978) 1097-1100

15. B.M. Агранович, В. JI. Гинзбург, Кристаллооптика с учётом пространственной дисперсии и теория экситонов. «Наука», М., (1965) С.58

16. L. Schulthets, К. Kohler, and C.W. Tu, in Excitons in Confined System, Vol.25 of Springer Proceedings in Physics, edit by R. Del Sole. D" Andrea and A. Lapiccirela (Springer-Verlag. Berlin, 1988) 110.

17. J. J. Hopfield, D. G. Thomas, Fine Structure and Magneto-Optic Effects in the Exciton Spectrum of Cadmium Sulfide, Phys. Rev. 122, (1961), 35-52

18. Л.П. Горьков, И.Е Дзялошинский, К теории экситона Мота в сильном магнитном поле, ЖЭТФ, 2, (1967) 717-722

19. М. Altarelli, Nunzio О. Lipari, Perturbation-theory investigation of the exciton ground state of cubic semiconductors in a magnetic field, Phys. Rev. B, 7, (1973), 3798-3802

20. K. Cho, S. Suga, W. Dreybrodt, and F. Willmann ,Phys. Rev. B, Theory of degenerate 1л- excitons in zinc-blende-type crystals in a magnetic field: Exchange interaction and cubic anisotropy, 11, (1975) 1512-1521

21. M. Altarelli, N. O. Lipari, Exciton dispersion in semiconductors with degenerate bands, Phys. Rev. B, 15, (1977) 4898-4906

22. S. Suga, К. Cho, Y. Niji, J. C. Merle, T. Sauder, Magneto-optical studies of the Zi,2 exciton-polaritons in Cul: Effects of finite exciton wave vector, Phys. Rev. B, 22, (1980) 4931-4940

23. N. A. Gippius, A. L. Yablonskii, A. B. Dzyubenko, S. G. Tikhodeev, L. V. Kulik and V. D. Kulakovskii, A. Forchel, Excitons in near-surface quantum wells in magnetic fields: Experiment and theory, J. Appl. Phys. 83, (1998) 5410-5417

24. Ch. Neumann, A. Nothe, N. O. Lipari, Two-photon magnetoabsorption of ZnTe, CdTe, and GaAs, Phys. Rev. B, 37, (1988) 922-932

25. Г.Л. Бир, Г.Е. Пикус, Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, «Наука», М., (1972) С.318

26. К. Cho, Unified theory of symmetry-breaking effects on excitons in cubic and wurtzite structures, Phys. Rev. B, 14, (1976) 4463-4482

27. J.M. Luttinger, Quantum theory of cyclotron resonance in semiconductors: general theory, Phys. Rev., 102, (1956) 1030-1041

28. E.L. Ivchenko, G.E. Pikus, Superlattices and other heterostrucrures, Springer-Verlag, Berlin (1997) 63

29. B.M. Агранович, В. JI. Гинзбург, Кристаллооптика с учётом пространственной дисперсии и теория экситонов. «Наука», М., (1965) С.58

30. С.И. Пекар, Кристаллооптика и добавочные световые волны, «Наук.думка», Киев, (1982) 178-184

31. С.И. Пекар, Дисперсия света в области экситонного поглощения в кристаллах, ЖЭТФ, 34, (1958) 1176

32. С.И Пекар, Теория электромагнитных волн в кристалле, в котором возникают экситоны, ЖЭТФ, 33, (1957) 1022-1036

33. E.L. Ivchenko, S.A. Permogorov and A.V. Selkin, Optical activity of CdS crystals in exciton spectral region, Solid State Comraun., 28, (1978) 345-348

34. Е.Л. Ивченко, A.B. Селькин, Естественная оптическая активность в полупроводниках со структурой вюрцита, ЖЭТФ, 76, (1979) 1837-1854

35. Roland Zeyher, Joseph L. Birman, Wilhelm Brenig, Spatial dispersion effects in resonant polariton scattering, i. additional boundary conditions for polarization fields, Phys. Rev.B, 6, (1972) 4613-4616

36. Р.П. Сейсян, «Спектроскопия диамагнитных экситонов», Наука, (1984), 145-156

37. L.V. Butov, C.W. Lai, D. S. Chemla,l,2 Yu. E. Lozovik,3 K. L. Campman,4 and A. C. Gossard, Observation of Magnetically Induced Effective-Mass Enhancement of Quasi-2D Excitons, Phys. Rev. Lett.,, 87, (2001) 216804-1-216804-4

38. A. Litvinov, V.P. Kochereshko, D. Loginov, L. Besombes, H. Mariette, J.J. Davies, L.C. Smith and D. Wolverson, Motional enhancement of exciton magnetic moments,, Acta Phys. Pol. A, 112, N2, (2007) 161-165

39. Д.К. Логинов, E.B. Убыйвовк, Ю.П. Ефимов, В.В.Петров, С.А.Елисеев, Ю.К.Долгих, И.В.Игнатьев, В.П.Кочерешко, А.В.Селькин, Интерференция поляритонных волн в структурах с широкими квантовыми ямами, GaAs/AlGaAs ФТТ, 48, (2006) 1979-1987

40. A. Tredicucci, Y. Chen, F. Bassani, J. Massies, C. Deparis, and G. Neu, Phys. Rev. B, Center of-mass quantization of excitons and polariton interference in GaAs thin layer, Phys. Rev. B, 47, (1993) 10348-10357

41. C.F. Klingshirn, Semiconductor optics, Springer-Verlag Berlin, (1997), 209.

42. Питер Ю, Мануэль Кардона, Основы физики полупроводников, «Физматлит»,М., (2002), 419

43. I. Balslev, A. Stahl, Properties of Exciton Polaritons Studied in a One-Dimensional Model, phys. stat. sol. (b), 111, (1982) 531-539

44. A. Stahl, I.Balslev, Polariton Theory in Electron Hole Configuration Space. Bulk Solution for a Wannier-Type Model, phys. stat. sol. (b), 113, (1982) 583-587

45. E.A. Mularov, R. Zimmerman, Exciton polariton including continuum Microscopic versus additional boundary conditions states:, Phys.Rev.B, , 66, (2002) 235319-1 -235319-14

46. Le Si Dang, G. Neu and R. Romestain, Optical detection of cyclotron resonance of electron and holes in CdTe, Solid State Commun. 44, (1982) 1187-1190

47. К. K. Kanazawa and F. C. Brown, Cyclotron resonance in cadmium telluride, Phys. Rev. 135, (1964) A1757-A1760

48. D. T. F. Marple, Effective electron mass in CdTe, Phys. Rev. 129, 2466 (1963)

49. A. L. Mears and R. A. Stradling, Cyclotron resonance and cross-modulation with n-type CdTe at 1 mm and 2 mm wavelength, Solid State Commun. 7, (1969) 1267-1269

50. W. Knap, M. Helm, R. Lassnig, E. Gornik and R. Triboulet, Observation of Polaron Cyclotron Resonance by Landau Emission methodes in CdTe and InP Acta Phys. Pol. A 67, (1985) 171

51. M. Helm, W. Knap, W. Seidenbusch, R. Lassnig, E. Gornik, R. Triboulet and L. L. Taylor, Polaron cyclotron resonance in n-CdTe and n-InP, Solid State Commun. 53, (1985) 547-550

52. E. Molva and Le Si Dang, Magneto-optical study of Li and Na acceptor bound excitons in CdTe: Fine structure and cubic crystal-field effect, Phys. Rev. В 32, (1985) 1156-1164

53. A. Nakamura, D. Paget, С. Hermann, С. Weisbuch, G. Lampel and В. C. Cavenett, Optical detection of electron spin resonance in CdTe, Solid State Commun. 30,(1979)411-414

54. P. E. Simmonds, H. Venghaus, R. Sooryakumar and P. J. Dean, Electron and hole g-factors from magnetoluminescence in ZnTe and CdTe, Solid State Commun. 43,(1982)311-314

55. D. Loginov, V.P. Kochereshko, A. Litvinov, L. Besombes, H. Mariette, J.J. Davies, L.C. Smith and D. Wolverson, Excitonic polaritonsin transverse magnetic fields, Acta Phys. Pol. A, 112, N2, (2007) 381-386