В Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН проведены эксперименты по исследованию динамики экситонов и трионов в структурах GaAs/AlGaAs с мелкими квантовыми ямами (КЯ). Установлено, что ключевую роль в формировании и динамике экситон-трионной системы, определяющую её парциальный состав и кинетические свойства, играют избыточные одноимённые носители заряда, накапливающиеся в КЯ при надбарьерной накачке.

Исследование все более тонких процессов, происходящих в системе электронных возбуждений полупроводника, необходимо для детального понимания функционирования все более миниатюризируемых электронных устройств. Материал таких устройств – полупроводниковые гетероструктуры, т.е. полупроводники с искусственно созданными квантовыми ямами и квантовыми барьерами.
Для эффективного образования в КЯ заряженных трехчастичных экситонных комплексов (трионов) необходим избыток электронов или дырок, для получения которого чаще всего используется модулированное легирование структур. Наличие остаточных примесей в номинально нелегированных структурах также может приводить к появлению в КЯ равновесных электронов или дырок. Избыток неравновесных электронов или дырок может быть создан при фотовозбуждении структуры вследствие оптической перезарядки примесей в барьерных слоях или преимущественного захвата в КЯ носителей заряда того или иного знака.
В Лаборатории физики неоднородных систем ФИАН под руководством чл.-корр. РАН, д.ф-м.н. Н.Н.Сибельдина были проведены эксперименты по исследованию динамики экситон-трионной системы в номинально нелегированных структурах GaAs/Al0.05Ga0.95As с мелкими КЯ. Ранее этой группой было обнаружено, что при стационарном надбарьерном возбуждении фотонами, энергии которых лежат в определённых диапазонах, а также при надбарьерной подсветке, дополнительной к основному внутриямному фотовозбуждению, в таких структурах образуются положительно заряженные трионы, которые формируются благодаря преимущественному захвату в КЯ дырок, происходящему с испусканием акустических фононов. В настоящей работе авторы задались целью установить динамику этого процесса.
Эксперименты проводились при различных частотах следования пикосекундных лазерных импульсов внутриямного, надбарьерного и «двухцветного» возбуждения. Эксперименты продемонстрировали, что накопление в КЯ избытка неравновесных одноименных носителей заряда (в данном случае – дырок), происходящее при надбарьерном возбуждении периодически повторяющимися импульсами, играет ключевую роль в формировании экситон-трионной системы и определяет не только её парциальный состав, но и динамические свойства. В частности, было показано, что времена затухания экситонной и трионной люминесценции сильно уменьшаются с ростом концентрации избыточных носителей заряда. На основе экспериментальных данных было определено время существования избыточных носителей заряда в КЯ, которое на 4 – 5 порядков величины превышало времена жизни экситонов и трионов и составляло более 10 мкс.
Особенно ярко эффект накопления проявлялся при «двухцветном» возбуждении структур импульсами внутриямного и надбарьерного возбуждения, задержанными друг относительно друга. Импульс надбарьерного возбуждения кардинально изменял парциальный состав и динамику неравновесной электронно-дырочной системы, созданной импульсом внутриямного возбуждения. Причем, при достаточно высоких частотах следования импульсов возбуждения наблюдавшаяся картина практически не зависела от задержки между этими импульсами, и даже от того, в какой последовательности они попадали на структуру.
По словам старшего научного сотрудника, к.ф-м.н. Виталия Цветкова, «по сути дела мы увидели, каким образом эти долгоживущие носители заряда, сами оставаясь «за кадром», проявляются в типичных экспериментах по исследованию кинетических процессов в неравновесной электронно-дырочной системе в КЯ на временах пикосекундного масштаба».

АНИ «ФИАН-информ»