Колективна спонтанна рекомбінація у квантових гетероструктурах і нитковидних кристалах - Автореферат

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. Енергія звязку 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. Теорія надвипромінювання виникла з аналізу задачі про радіаційний розпад багатоатомної системи з розмірами набагато меншими за довжину хвилі 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 обєму твердих тіл. Окрім цього, в квантових гетероструктурах технічно простіше в порівнянні з газами чи обємними твердими тілами, забезпечити велику густину збуджених станів і завдяки квантуванню енергетичного спектру понизити вклад процесів розсіяння.У першій його частині міститься опис явища надвипромінювання Діке, приведені характерні його властивості і умови виникнення надвипромінювання. 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. 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 області великих значень накачки спостерігається сублінійна залежність , тобто відбувається сповільнення темпу зміни форми спектру, що свідчить про те, що цей перехід повязаний із заповненням квантової ями. Співставлення цієї залежності з залежністю інтенсивності випромінювання і форми спектру від рівня збудження показує, що вихід TN на насичення також повязаний з заповненням квантової ями.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. Вперше показано, що незалежність часу надвипромінювання від рівня збудження, яка спостерігається в квантових гетероструктурах, повязана із заповненням квантової ями і супроводжується стабілізацією інших характеристик надвипромінювання: форми спектрів і інтенсивності, що суттєво відрізняється від надвипромінювання у газах і обємних матеріалах. Неоднорідне розширення спектру фотолюмінесценції при збільшенні рівня накачки пояснено участю у випромінюванні електронно-діркових пар зі збуджених рівнів у квантовій ямі. Показано, що додатковий d-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. 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.

Основний зміст роботи

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, повязана із заповненням квантової ями і супроводжується стабілізацією інших характеристик надвипромінювання: форми спектрів і інтенсивності, що суттєво відрізняється від надвипромінювання у газах і обємних 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 d-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 зявляється 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., Driga 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 d-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.