НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. Лашкарьова

На правах рукопису

Пікарук Олег Олександрович

УДК 535.37

Колективна спонтанна рекомбінація у квантових гетероструктурах і нитковидних кристалах

01.04.07 – фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук,

Клімовська Алла Іванівна

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук,

Куліш Микола Родіонович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ

провідний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук,

Лук’янець Сергій Петрович,

Інститут фізики НАНУ,

старший науковий співробітник

Провідна установа:

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка

Захист дисертації відбудеться 17 червня 2005 року о 1400 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К.26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: Київ, пр. Науки, 45.

Автореферат розісланий 13 травня 2005 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради К.26.199.01

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні два десятиліття у фізиці напівпровідників став помітним різкий сплеск інтересу до гетероструктур низької розмірності. До них відносяться квантові ями, квантові нитки і квантові точки, а також перехідні стани між ними. Виявилось, що змінюючи розмірність і регулюючи величину квантового обмеження, можна радикальним чином змінювати енергетичний спектр системи, що сприяє не тільки вирішенню фундаментальних проблем фізики твердого тіла і напівпровідників, зокрема, створенню зовсім нових напівпровідникових приладів, як і оптимізації уже відомих. Мабуть, саме низьковимірні гетеросистеми стануть основною матеріальною базою наноелектроніки.

З’явився навіть термін “зонна інженерія”, подібний до “генної інженерії” у біології, для позначення спроб штучного створення нових матеріалів із наперед заданою структурою електронних станів.

Як з’ясувалось, низькорозмірність системи стабілізує екситонні стани, роблячи їх стійкими в більш широкому діапазоні температур і зовнішніх електричних полів. Енергія зв’язку і сила осцилятора екситонних станів в низько розмірних системах суттєво зростає зі зменшенням розмірів, сприяючи практичному застосуванню екситонних ефектів в оптичних приладах навіть при кімнатній температурі. Все це привело до того, що екситонна спектроскопія з могутнього дослідницького засобу, що перетворює плавні і маловиразні спектри оптичних переходів між континуумами зонних станів у високочутливі і інформативні вузьколінійні спектри, стала перетворюватись і у безпосереднє джерело нових ідей і засобів напівпровідникового приладобудування. З’явились оптичні модулятори, перемикачі і бістабільні елементи, оптичні транзистори і лазери, побудовані на властивостях екситонного газу. Ці прилади вирізняються високою чутливістю до управляючого зовнішнього впливу.

З моменту початку інтенсивних досліджень низьковимірних квантових гетероструктур, ці об’єкти міцно застовпили за собою місце як матеріал для великої кількості оптичних та електронних приладів (транзистори з високорухливими носіями струму, гетеролазери, інше).

Дана дисертаційна робота присвячена вивченню фотолюмінесценції низьковимірних структур, а саме одному з колективних ефектів у випромінюванні - ефекту надвипромінювання Діке. Надвипромінювання – один з найяскравіших прикладів кооперативної поведінки багатоатомних систем. Відмінність його від інших подібних процесів полягає в тому, що система сама за рахунок внутрішніх взаємодій частинок, з яких вона складається, переходить від некорельованого до скорельованого стану. Теорія надвипромінювання виникла з аналізу задачі про радіаційний розпад багатоатомної системи з розмірами набагато меншими за довжину хвилі випромінювання. Виявилось, що розпад такої системи різко відрізняється від звичайного спонтанного випромінювання, коли атоми випромінюють незалежно один від одного. Пізніше стало відомо, що незвичайним у надвипромінюванні є зовсім не те, що воно відрізняється від звичайного спонтанного, а те, що між початково незалежними атомами виникає фазування, яке подібне до фазового переходу другого роду. Суть явища надвипромінювання полягає в тому, що в середовищі з високою густиною збуджених атомів-диполів можливе їх взаємне фазування електромагнітним полем власного випромінювання. Внаслідок цього утворюється, так званий, макродиполь, який пізніше випромінює усю свою енергію за час, що може бути набагато меншим за час спонтанного випромінювання.

Особливістю спостереження надвипромінювання у квантових гетероструктурах, і особливо у структурах з квантовою ямою, є те, що це явище можна спостерігати навіть при високих температурах, на відміну від тих же газів або об’єму твердих тіл. Окрім цього, в квантових гетероструктурах технічно простіше в порівнянні з газами чи об’ємними твердими тілами, забезпечити велику густину збуджених станів і завдяки квантуванню енергетичного спектру понизити вклад процесів розсіяння. При цьому, внаслідок того, що характеристичний час надвипромінювання є обернено пропорційним до числа диполів у макродиполі, у квантових гетероструктурах можна отримувати випромінювання з ультракороткими імпульсами.

Надвипромінювання має вузьку просторову направленість, яка залежить від форми і співвідношень сторін зразка, тобто пучок поширюється вздовж найдовшої зі сторін зразка. Це природний наслідок інтерференції випромінювання з окремих точок макродиполя, на відміну від тих же лазерів, де цього досягають за допомогою дзеркал. Таким чином, найбільш вигідною формою зразка є циліндрична форма. У зв’язку із цим перспективним виглядає також дослідження надвипромінювання Діке у ниткоподібних кристалах, наприклад, кремнію. Окрім того, що такі кристали субмікронних діаметрів мають циліндричну форму, кремній є ще й основним матеріалом інтегрованої електроніки, що дає можливість поєднання кремнієвих наноструктур з уже існуючими інтегральними схемами, які виконуватимуть роль посередника між макро- і наносвітом.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Результати досліджень, що увійшли до дисертаційної роботи, були проведені у рамках планових фундаментальних досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України наступних бюджетних тем:

1. “Комплексні структурні та морфологічні дослідження гетероепітаксійних ( у т.ч. нанорозмірних) систем на основі напівпровідників IV групи та сполук А3В5 і А2В6. (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України, протокол №11б 2002 р.)

2. “Дослідження фізичних механізмів в фотоелектричних та фотохімічних явищ в напівпровідникових шаруватих та квантово-розмірних структурах”. (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України, протокол №11б 2002 р.)

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є встановлення закономірностей колективної рекомбінації у низькорозмірних структурах при високих рівнях збудження, а також з’ясування можливостей використання цього явища для створення фемтосекундних випромінювачів світла.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні завдання:

1) Експериментально дослідити фотолюмінесценцію у InGaAs/GaAs гетероструктурах з одиночною квантовою ямою.

2) Розробити програму обрахунку енергетичної структури квантових шарів.

3) Встановити особливості проявлення ефекту надвипромінювання у квантових гетероструктурах.

4) Вивчити методи впливу на характеристики надвипромінювання у гетероструктурах з квантовими ямами.

5) Встановити вимоги до низькорозмірних структур, які необхідні для створення ультракоротких випромінювачів інфрачервоного світла.

6) Експериментально дослідити інфрачервону фотолюмінесценцію в кремнієвих квантових нитках.

Об’єктом досліджень було обрано InGaAs/GaAs гетероструктури з одиночною квантовою ямою з різним вмістом In та кремнієві нитковидні кристали.

Предметом досліджень були:

1) Фотолюмінесценція InGaAs/GaAs гетероструктур з одиночною квантовою ямою і її особливості (форма спектрів, залежність інтегральної інтенсивності і характеристичного часу випромінювання від потужності накачки ).

2) Інфрачервона фотолюмінесценція кремнієвих квантових ниток при кріогенних температурах.

3) Комп’ютерне моделювання.

Методи дослідження:

Результати досліджень, що увійшли до дисертаційної роботи, проводились з використанням наступних методів вивчення:

1) Оптичні дослідження при кріогенних температурах.

2) Інфрачервона спектроскопія фотолюмінесценції при збудженні лазерами неперервної і імпульсної дії

Наукова новизна одержаних результатів.

Проведені дослідження дозволяють сформулювати наступні наукові положення:

1) Вперше досліджено явище надвипромінювання Діке в InGaAs/GaAs гетероструктурах з одиночною квантовою ямою при оптичному збудженні при зміні рівня накачки в межах десяти порядків (110-3 - 9106 Вт/см2).

2) Вперше експериментально встановлені особливості проявлення ефекту надвипромінювання в квантових гетероструктурах. Показано, що спостережуваний ефект є подібним до раніше описаного теоретично в роботі спостереженого у газах і твердих тілах, якщо рівень накачки не перевищує критичного, що характеризується заповненням всіх квантових станів квантової структури. При більших накачках характеристики випромінювання стабілізуються і не залежать від потужності накачки, що пов’язане з особливостями енергетичної структури і густини станів квантових об’єктів.

3) Експериментально показано, що присутність дефектів невідповідності решіток складових гетероструктури при перевищені товщини квантового шару критичну товщину не перешкоджає виникненню надвипромінювання Діке, хоча й зменшує його інтенсивність.

4) Експериментально показано, що додатковий - шар у підкладці зменшує поріг збудження, при якому виникає надвипромінювання.

5) Вперше спостережена залежність нової смуги фотолюмінесценції кремнієвих квантових ниток, яка не спостерігається у об’ємному матеріалі і у пористому кремнії, від рівня накачки. Залежність має особливості, характерні до надвипромінювання Діке.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що показана можливість створення на основі InGaAs/GaAs гетероструктур з одиночною квантовою ямою і нитковидних кристалів кремнію генераторів фемтосекундних імпульсів електромагнітного випромінювання.

Особистий внесок здобувача. Постановка задач й обговорення результатів були проведені з науковим керівником. Ідея про можливість пояснення фотолюмінесценції досліджуваних гетероструктур з квантовою ямою була розвинута разом із керівником дисертації А.І. Клімовською [1,2,5,9]. Здобувачем був розроблений програмний продукт для обрахунку енергетичної структури InGaAs квантової ями у GaAs матриці. Обробка і аналіз отриманих результатів, в тому числі і апроксимація спектрів фотолюмінесценції, проводилась самостійно здобувачем [3,4,6,7,8]. Також здобувачем у співпраці зі Г.Ю. Рудько і Є.Г. Гуле були проведені експериментальні дослідження інфрачервоної фотолюмінесценції кремнієвих ниткоподібних кристалів. А також, уже самостійно, обробка отриманих результатів[10].

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертаційної роботи доповідались на наступних наукових конференціях:

1. International Conference on Superlattices Nanostructures and Nanodevices, Toulouse, France, 2002.

2. “Всероссийское Совещание “НАНОФОТОНИКА”, Нижній Новгород, Россія, 17 - 20 березня 2003.

3. ХХХІІ International School of Semiconductor Compounds, Jaszowiec, Poland, 2003.

4. XI  Conference on Laser Optics, Sankt-Peterburg, Russia, 2003.

5. International Symposium on Optical Science and Technology, SPIE's 49th Annual Meeting 2-6 August 2004, Denver, Co, USA.

6. Hewlett-Packard seminar, Palo Alto CA, USA, 2004. 

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 робіт: 4 статті у провідних фізичних журналах та 6 тез в матеріалах наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі Вступу, п’яти змістовних розділів, Висновків, Списку використаної літератури, що містить 98 посилань. Повний обсяг роботи складає 106 сторінок, вона містить 50 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дисертаційна робота розпочинається зі Вступу, де обґрунтовано актуальність вибору теми дисертації та об’єктів досліджень, сформульовано мету та завдання роботи, показано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Окрім цього, приведено відомості про апробацію роботи і публікації, у яких брав участь автор, а також подано структуру та короткий зміст дисертації за розділами.

Перший розділ присвячено літературному огляду з теми дисертації. У першій його частині міститься опис явища надвипромінювання Діке, приведені характерні його властивості і умови виникнення надвипромінювання. Показано перспективність його дослідження у гамма- і рентгенівському діапазоні. Приведено результати наукових груп по дослідженню ефекту надвипромінювання у квантових гетероструктурах, вказано на ті проблеми, які виникли при інтерпретації отриманих даних, які вдалось розв’язати в рамках даної дисертації. У наступній частині розділу приведені оптичні властивості об’ємного кремнію та кремнієвих ниткоподібних кристалів. Показано роль фононів у випромінюванні в об’ємному кремнії. Звернуто увагу на інфрачервону люмінесценцію кремнієвих ниткоподібних кристалів.

У другому розділі дисертаційної роботи описано досліджувані зразки та методику експерименту. Приведено будову гетероструктур з одиночною квантовою ямою, що досліджувались а також будову та спосіб вирощування кремнієвих ниткоподібних кристалів. У методиці експерименту приведені описи установок для дослідження видимої та інфрачервоної фотолюмінесценції при кріогенних температурах з використанням неперервного та імпульсного лазерів, оцінюються похибки проведених експериментів.

У третьому розділі дисертації наведено результати досліджень ефекту надвипромінювання у InGaAs/GaAs гетероструктурі з одиночною пружнонапруженою квантовою ямою. У частині 3.1 ще раз приведено опис зразків, де відмічено, що в досліджуваних структурах товщина квантового шару і вміст індію підбиралась таким чином, щоб квантовий шар був пружнонапруженим, і у ньому не виникали б дефекти, спричинені невідповідністю постійних кристалічної решітки для квантової ями і матриці. Також вказано, що температура досліджень, оцінена по енергетичному положенню піку, що відповідає випромінюванню з GaAs матриці, дорівнювала 100 К. Потужність оптичної накачки змінювалась у межах від ~ 110-3 до 9106 Вт/см2, що дозволило виявити основні особливості прояву надвипромінювання в квантових гетероструктурах. У залежності від рівня накачки досліджувались: 1) зміна форми спектра, 2) зміна інтегральної інтенсивності випромінювання, 3) зміна часу релаксації надвипромінювання.

У частині 3.2 приведений розрахунок енергетичної структури пружно-напружених InGaAs квантових шарів проводився за допомогою методу огинаючої хвильової функції. Розрахунок враховував ефекти механічного напруження, що викликані невідповідністю сталих решіток для матеріалів InAs і GaAs, і енергетичної залежності ефективних мас електронів і легких дірок. Використовуючи цей розрахунок, була створена комп’ютерна програма, яка дала змогу розраховувати енергетичну структуру для досліджуваних гетероструктур.

У наступним частинах розділу приведені дослідження положення і форми спектрів фотолюмінесценції при різних рівнях збудження (частина 3.3), інтенсивності випромінювання (частина 3.4.), оцінка характеристичного часу релаксації надвипромінювання (частина 3.5.). Проведені також аналіз спектрів (частина 3.6) і оцінка розміру “макродиполя” і кількості учасників колективного випромінювання (частина 3.7.).

На Рис. 1 і 2 показані отримані спектри фотолюмінесценції, нормовані на інтенсивність у максимумі, для різних рівнів накачки. Смуга з енергією поблизу 1,35 еВ відповідає екситонному випромінюванню з квантової ями. З приведених даних видно, що при збільшенні потужності накачки спочатку відбувається розширення спектру (Рис. 1), потім спектральна форма приймає сталий вигляд і не залежить від інтенсивності накачки (Рис. 2). З цього моменту з’являється додатковий пік люмінесценції з енергією у максимумі 1,504 еВ, що свідчить про те, що квантова яма повністю заповнена, і надлишкові електронно-діркові пари починають релаксувати у матриці. Таким чином, з приведених даних видно, що стабілізація спектру пов’язана із заповненням квантової ями.

На Рис. 3 у напівлогарифмічному масштабі показано спектри фотолюмінесценції з квантової ями для низького і високого рівня збудження. На цьому ж малюнку суцільними кривими подані спектри, що характерні для надвипромінювання Діке:

(1),

де – характерний час релаксації надвипромінювання,

– енергія у максимумі.

З рисунку видно, що спектри несиметричні, і що низькоенергетичне крило спектру добре описується законом, характерним для надвипромінювання Діке, для інтенсивностей, що змінюються у межах трьох порядків. В то й же час, при збільшенні рівня збудження сильнішає відхилення від цієї закономірності на високоенергетичному крилі спектра, хоча, як і раніше, надвипромінювання домінує.

При аналізі залежності інтегральної інтенсивності фотолюмінесценції з квантової ями від потужності накачки видно, що при дуже низьких рівнях накачки спостерігається залежність виду . В області великих значень накачки спостерігається сублінійна залежність , тобто відбувається сповільнення темпу зміни форми спектру, що свідчить про те, що цей перехід пов’язаний із заповненням квантової ями.

Час надвипромінювання, що показаний на Рис. 4., визначався за нахилом низькоенергетичної частини спектру за допомогою формули (1). При зміні потужності накачки у межах (10-3 - 9106) Вт/см2 час змінюється від 70 до 20 фс. Найбільші зміни спостерігаються при потужностях до 7105 Вт/см2. Подальше збільшення потужності до 9106 Вт/см2 на час релаксації N практично не впливає. Співставлення цієї залежності з залежністю інтенсивності випромінювання і форми спектру від рівня збудження показує, що вихід N на насичення також пов’язаний з заповненням квантової ями.

Якщо співставити характер зміни форми спектру і часу релаксації зі зміною потужності накачки, то видно, що на всіх залежностях він зазнає суттєвих змін при значенні рівня збудження Pexc106 Вт/см2. При такій потужності квантова яма уже практично заповнена, і подальше збільшення рівня накачки не приводить до значного росту числа електронно-діркових пар у ямі. Таким чином, існує нелінійний зв’язок між числом диполів у ямі і потужністю накачки. Це й приводить до, здавалось би, протиріччя результатів дослідження надвипромінювання в квантових структурах з теорією Діке і експериментом в газах і твердих тілах.

Розрахунок енергетичної структури показав, що у квантовому шарі міститься квантова яма для електронів з двома рівнями і квантова яма для важких дірок з трьома рівнями. Квантової ями для легких дірок внаслідок спін-орбітального розщеплення взагалі немає. Відповідно, будемо мати шість можливих переходів: E1e-1hh = 1,358 еВ, E1e-2hh = 1,379 еВ, E1e-3hh = 1,409 еВ, E2e-1hh = 1,434 еВ, E2e-2hh = 1,454 еВ, E2e-3hh = 1,485 еВ.

Моделювання спектрів фотолюмінесценції у вигляді суми окремих смуг надвипромінювання, що відповідають можливим переходам в квантовій ямі і кожна з яких апроксимується за допомогою формули 1, показало наступне. При малих потужностях накачки спектр сформований, в основному, з однієї смуги надвипромінювання, що пов’язана з релаксацією макродиполя, утвореного екситонами основних квантових підзон електронів і важких дірок. При підвищенні заповнення збуджених квантових підзон до основного переходу додаються переходи між збудженими станами, як це показано на Рис. 5.

Оцінка основних параметрів макродиполя показала, що його розмір не перевищує 1,7 мкм. Кількість екситонів, що містяться в одному макродиполі, яку можна оцінити по часу надвипромінювання складає N 1,35107.

У четвертому розділі розглядаються гетероструктури, товщина квантового шару у яких змінювалась від 7,3 до 9,2 нм, вміст індію – від 21 до 35 відсотків. Деякі зразки містили -шар германію, який розміщувався у буферному шарі. Справа у тому, що основною відмінністю надвипромінювання порівняно із спонтанним випромінюванням є залежність часу релаксації макродиполя від числа збуджених в ньому диполів. Звідси випливає, що малі флуктуації рівня збудження можуть приводити до значних флуктуацій генерованих імпульсів. Для практичного застосування ефекту надвипромінювання Діке важливо віднайти умови, при яких можна отримати генерацію імпульсів зі стабільними властивостями, тобто однакової амплітуди і стабільної частоти слідування. Метою цього розділу було аналіз можливих причин виникнення нестійкості випромінювання. Заздалегідь можна очікувати, що при великому механічному напруженні, при якому у квантових ямах, що мають товщину вищу за критичну, виникають дислокації невідповідності, буде зменшуватись час безвипромінювальної рекомбінації, що може привести до “гасіння” надвипромінювання. Також можна було сподіватись, що наявність в гетероструктурі додаткового -шару може приводити до зменшення цієї критичної величини, що важливо для створення генераторів ультракоротких імпульсів.

Аналіз результатів, які були подібними до тих, що отримано у попередньому розділі, дозволив констатувати, що навіть при наявності дефектів у досліджуваних гетероструктурах можна спостерігати явище надвипромінювання, хоча і меншої інтенсивності, а додатковий -шар германію призводить до того, що стабілізація характеристик надвипромінювання відбувається при менших значеннях рівня збудження.

У п’ятому розділі приведені результати досліджень інфрачервоної фотолюмінісценції у кремнієвих ниткоподібних кристалів при різних рівнях накачки, а також її температурні залежності. Раніше, було показано, що такі структури є природними гетероструктурами, так як складаються з центральної частини і її оболонки. В залежності від умов росту і діаметру нитки, товщина оболонки може бути достатньо великою в межах від декількох до сотень нанометрів, що є співмірним з центральною частиною кристалу. Чим менший діаметр нитки, тим більше співвідношення між товщинами оболонки і центральної частини. Більш детальний аналіз структури оболонки показав, що на відміну від центральної частини, яка є алмазоподібним кремнієм, оболонка є квазі кристалом. Окрім того, вона являє собою стільникоподібний матеріал. Стільники розділяються гранями і мають у поперечному перерізі п’яти- або шестикутники. Це – головна особливість оболонки, яка відрізняє її від пористого кремнію, виготовленого на підкладці с-Si травленням. Окрім того, оболонка природно вирощена на бічній стороні нитки і має стабільну поверхню на відміну від пористого матеріалу.

На Рис. 6 показаний типовий спектр інфрачервоної фотолюмінесценції, що спостерігається в кремнієвих нитках діаметром ~500 нм. Смуги, що видні на цьому рисунку і показані стрілками, породжені складною структурою нитки, тобто спектр є суперпозицією смуг, характерних для центральної частини, нанопористої оболонки, а також, можливо, напруженої границі між ними. Найбільш інтенсивна смуга, позначена як N-смуга, раніше не спостерігалась ні в об’ємному матеріалі, ні в нанопористому, на відміну від смуг, що характерні для об’ємних екситонів та його фононних повторень. Ця смуга має асиметричну форму з різким високоенергетичним і більш пологим низькоенергетичним крилами, на яких також присутні деякі особливості.

При зменшенні діаметру нитки інтенсивність N-смуги збільшується по відношенню до інтенсивностей піків, характерних для об’ємного кремнію і для ниток з діаметрами менше за 0,1 мкм об’ємні піки взагалі зникають. Оскільки відношення об’ємів оболонки і центральної частини нитковидного кристалу зростає, то можна стверджувати, що зменшення інтенсивності об’ємних смуг і збільшення інтенсивності N-смуги підтверджує гіпотезу, що N-смугу можна приписати оболонці квантової нитки.

Аналіз залежностей інтенсивності в максимумі N-смуги і люмінесценції об’ємного екситона кремнію (BE-смуги) від рівня збудження, показав, що вони відрізняються одна від одної. Різний характер цих залежностей вказує на різні механізми люмінесценції і дозволяє припустити, що ці два піки пов’язані з релаксацією збудженого стану в різних частинах нитковидного кристалу, а саме в оболонці і центральній частині нитки (тобто об’ємного кремнію). Точно не встановлено, яку форму мають соти на поверхні нитки, тим не менше дані електронного мікроскопа з високою роздільною здатністю показують, що оболонка складається з квазісферичних точок масштабу нанометрів. Отже, оболонку можна розглядати як надгратку квантових точок, а N-смугу – як їх фотолюмінесценцію.

Для пояснення форми N-смуги були зроблені спроби опису її за допомогою гаусіанів або лоценціанів. Тим не менше, ці моделі добре описують верхню частину спектру, але не підходять для опису нахилів N-смуги і залежності її на півширини від рівня збудження. Найкращий варіант апроксимації виходить тоді, коли вона є комбінованою, тобто, N-смуга апроксимується з допомогою формули, що характерна для надвипромінювання Діке, всі інші ж – гаусіанами, як це показано на Рис. 7.

N-смуга описана за допомогою наступного формфактора:

,

де , – енергія в максимумі і – характеристичні енергії, що описують високо- і низькоенергетичний нахили відповідно. Для максимальної інтенсивності збудження ці енергії дорівнюють 1 0.6 меВ і 2 3.7 меВ. Ці характеристичні енергії також пов’язані із часами релаксації, що дорівнюють 1 340 фс і 2 57 фс відповідно.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі приведено результати експериментальних досліджень та теоретичних напрацювань особливостей фотолюмінесценції у гетероструктурах InGaAs/GaAs з одиночною квантовою ямою а також у кремнієвих нитковидних кристалах. Отримано наступні основні результати:

1. Вперше показано, що незалежність часу надвипромінювання від рівня збудження, яка спостерігається в квантових гетероструктурах, пов’язана із заповненням квантової ями і супроводжується стабілізацією інших характеристик надвипромінювання: форми спектрів і інтенсивності, що суттєво відрізняється від надвипромінювання у газах і об’ємних матеріалах.

2. Неоднорідне розширення спектру фотолюмінесценції при збільшенні рівня накачки пояснено участю у випромінюванні електронно-діркових пар зі збуджених рівнів у квантовій ямі.

3. Виявлено, що наявність певної кількості дефектів невідповідності у досліджуваних гетероструктурах не зашкоджує виникненню явища надвипромінювання, хоча зменшує її інтенсивність. Це вказує на можливість створення однопрохідних генераторів когерентних ультракоротких сигналів.

4. Показано, що додатковий -шар германію, розміщений поблизу квантової ями, приводить до того, що стабілізація характеристик надвипромінювання відбувається при менших значеннях рівня збудження, що дозволяє зменшити енергоспоживання випромінювачів, побудованих на цій технології.

5. При дослідженні інфрачервоної фотолюмінесценції кремнієвих ниток показано, що додатковий пік, який з’являється при зменшенні діаметру ниток, можна пояснити релаксацією збудженого стану кристалу в оболонці.

6. Виявлено, що залежність максимальної інтенсивності фотолюмінесценції і зміна форми від рівня накачки у ниткоподібних кристалах кремнію подібні до тих, що характерні для надвипромінювання, що дає можливість припустити, що вони можуть бути основою для створення надкоротких імпульсів інфрачервоного світла.

Основні висновки та положення, які сформульовані в дисертаційній роботі, є обґрунтованими, оскільки безпосередньо випливають із достовірних експериментальних результатів і підтверджуються даними, незалежно отриманими іншими авторами.

Основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Klimovskaya A.I., Yu.A., Gule E.G., Pikaruk O.O. Femtosecond pulse generation in quantum GaAs/InGaAs/GaAs heterostructures // Physica E. – 2003. – Vol. 17C. – P. 593-594.

2. Климовская А.И., Дрига Ю.А., Гуле Е.Г., Пикарук О.О. Сверхизлучение в квантовых гетероструктурах // Физика и техника полупроводников. - 2003. – Т. 37. – С.706 – 710.

3. Климовская А.И., Пикарук О.О. Дрига Ю.А., Гуле Е.Г. Форма спектров сверхизлучения квантовых ям при разных уровнях возбуждения // Известия Академии Наук. Серия физическая. – 2004. – Т. 68, № 1. – С. 42 - 44.

4. Pikaruk O.O., Klimovskaya A.I., Driga Yu.A., Gule E.G. "Multicoloured" superradiance in quantum heterostructures // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2004. – Vol.7, № 2. – P. 168-170.

5. Klimovskaya A.I., Driga Yu.A., Gule E.G., Pikaruk O.O. Femtosecond pulse generation in quantum GaAs/InGaAs/GaAs-heterostructures // Proceedings of International Conference on Superlattices, nanostructures and Nanodevices. - Toulouse, France. – 2002.

6. Климовская А.И., Дрига Ю.А., Гуле Е.Г., Пикарук О.О. Форма спектров сверхизлучения квантовых ям при разных уровнях возбуждения // Материалы совещания “Нанофотоника-2003”. - Нижний Новгород, Россия. - 17-20 марта 2003. – С. 322-326.

7. Пікарук О.О. Надвипромінювання Діке в квантових гетеро структурах GaAs/InGaAs/GaAs // Збірник тез Лашкарьовських читань для молодих вчених. – Київ. - 26-28 травня 2003. – С.53-56.

8. Pikaruk O.O. Superradiance in quantum heterostructures // Proceedings of International School on the Physics of Semiconductor Compounds “Jaszowiec-2003”. - Jaszowiec, Poland. - May 30-June 6, 2003. – P.61.

9. Klimovskaya A.I., Driga Yu.A., Gule E.G., Pikaruk O.O. Influence of highly strain and -doping of quantum heterostructure on Dicke superradiance // Technical digest of 2nd International Conference on Laser Optics for Young Scientists and Engineers/ - Sankt-Peterburg, Russia. - June 30 – July 4, 2003. – P.55.

10. Pikaruk O.O., Rudko G. Yu. , Gule E.G., Klimovskaya A.I., Ostrovskii I.P. New infrared luminescence band in silicon nanowires // Proceedings of SPIE. – 2004. – Vol. 5510. – P. 17-25.

АНОТАЦІЯ

Пікарук О.О. Колективна спонтанна рекомбінація у квантових гетероструктурах і нитковидних кристалах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2005.

У дисертаційній роботі представлені результати досліджень ефекту надвипромінювання Діке в квантових InGaAs/GaAs гетероструктурах і в кремнієвих ниткоподібних кристалах.

Вперше показано, що незалежність часу надвипромінювання від рівня збудження, що спостерігається в квантових гетероструктурах, пов’язана із заповненням квантової ями і супроводжується стабілізацією інших характеристик надвипромінювання: форми спектрів і інтенсивності, що суттєво відрізняється від надвипромінювання у газах і об’ємних матеріалах.

Наявність певної кількості дефектів невідповідності у згаданих гетероструктурах хоча і призводить до зменшення інтенсивності, але надвипромінювання спостерігається. Додатковий -шар германію веде до стабілізації характеристик надвипромінювання при менших значеннях рівня збудження, що є важливим для практичного застосування.

Залежність максимального значення інтенсивності додаткового піка у інфрачервоній люмінесценції і зміна форми від рівня збудження у ниткоподібних кристалах кремнію подібні до тих, що є характерними для надвипромінювання Діке, що дозволяє припустити, що ниткоподібні кристали кремнію можуть бути використані для створення надкоротких імпульсів інфрачервоного світла.

Ключові слова: фотолюмінісценція квантових гетероструктур, надвипромінювання Діке, інфрачервона люмінесценція, ниткоподібні кристали кремнію.

Аннотация

Пикарук О.О. Коллективная спонтанная рекомбинация в квантовых гетероструктурах и нитевидных кристаллах. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. Институт физики полу-проводников НАН Украины, Киев, 2005.

В работе представлены результаты исследования эффекта сверхизлучения Дике в InGaAs/GaAs гетероструктурах с одиночной квантовой ямой, а также в нитевидных кристаллах кремния. В качестве основного метода исследований использовалась оптическая спектроскопия при криогенных температурах при возбуждении лазерами непрерывного и импульсного действия.

Впервые было показано, что независимость времени сверхизлучения от уровня возбуждения, наблюдаемая в квантовых гетероструктурах, связана с заполнением квантовой ямы и сопровождается стабилизацией других характеристик сверхизлучения: формы спектров и интенсивности. Эти особенности существенно отличают сверхизлучение в квантовых объектах от сверхизлучения в газах и объемных материалах.

Показано, что неоднородное уширение спектра фотолюминесценции при увеличении уровня возбуждения связано с участием в сверхизлучении электронно-дырочных пар с возбужденных уровней квантовой ямы.

Исследование гетероструктур, в которых толщины квантового слоя превышают критическую, показал, что даже при наличии дислокаций несоответствия эффект сверхизлучения Дике наблюдается, хотя и меньшей интенсивности. Также было показано, что дополнительный -слой германия в матрице приводит к стабилизации характеристик сверхизлучения при меньших уровнях возбуждения. Эти результаты указывают на возможность использования явления сверхизлучения для изготовления генераторов излучения ультракоротких импульсов света с низким энергопотреблением.

Исследование инфракрасной фотолюминесценции нитевидных кристаллов кремния показало, что дополнительный пик, который возникает при уменьшении диаметра нитей, объясняется излучательной релаксацией возбужденного состояния оболочки кристалла.

Показано также, что зависимость максимальной интенсивности дополнительного пика и изменение его формы от уровня возбуждения аналогичны характерным для сверхизлучения, что позволяет предположить, что нитевидные кристаллы кремния могут быть использованы для создания сверхкоротких импульсов инфракрасного света.

Ключевые слова: фотолюминесценция квантовых гетероструктур, сверхизлучение Дике, инфракрасная люминесценция, нитевидные кристаллы кремния.

SUMMARY

Pikaruk O.O. Collective spontaneous recombination in quantum heterostructures and nanowires. – Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 01.04.07 – solid state physics.– Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

Dicke’ superradiance in single quantum well InGaAs/GaAs heterostructures and silicon nanowires is investigated.

It is shown that full filling of the QW with the excited e–h pairs provides the form of PL spectrum, superradiance intensity and the relaxation time to be independent of pumping. This fact essentially distinguishes from superradiance in gases and solid.

It is found that in highly strained quantum wells superradiance is observed also. However the smaller is deviation of the QW-layer thickness from the critical one the greater intensity and stability of superradiance. In samples with -doping the relaxation time reaches its limit at smaller pumping. This fact is important for practical application.

Investigation of silicon nanowires is shown that intensity of new infrared band related with complex structure of nanowires as well as the band width depend on exciting power likely to Dicke’ superradiance. This gives rise to presume that these objects may be used as a basis for generator of ultrafast infrared pulses.

Keywords: photoluminescence in quantum heterostructures, Dicke’ superradiance, infrared luminescence, silicon whiskers.