Dinamica de recombinare a purttorilor de sarcin n

Dinamica de recombinare a purtătorilor de sarcină în structurile semiconductoare Marian Zamfirescu "Marie Curie“ – Experienced Researcher: 1 st March 2004 – 30 Nov. 2005 EU-RTN "Clermont 2" - Physics of microcavities University of Florence, Dept. of Physics 1

Colaboratori: • Grupul de Spectroscopie Ultra-rapidă Departamentul de Fizică Universitatea din Florenţa • • • Anna Vinattieri Massimo Gurioli Flavian Stokker Marco Abbarchi Lucia Cavigli Marcello Colocci Creştere de structuri • • • CHREA Valbonne, Franţa (F. Semond, Ian Sellers) Universidad Politécnica Madrid, Spania (J. Ristić and E. Calleja) FORTH, Creta (N. Pelekanos) NEST, Pisa, Italia (S. Kalliakos) Università di Milano Bicocca, Italia (S. Sanguinetti) Teorie • Università Tor. Vergata, Roma, Italia (A. di Carlo, A. Reale) • Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand, Franta (A. Kavokin, G. Malpuech) 2

Sumarul Prezentarii I Modelarea răspunsului optic in structuri semiconductoare II Spectroscopia optica a nanostructuri emitatoare de lumina: - microcavitati cuantice - nanocoloane - cuantum dots III Tehnici de detectie a semnalelor optice ultrascurte - streak camera - single photon counting - upconversion IV Micro-spectroscopie 3

Interactia lumina-materie. Excitoni in structuri semiconductoare Excitoni Wannier-Mott electron + gol = exciton (bozon) - rază Bohr: Energia de legătută: Energia benzii interzise Ga. As 14 nm 4 me. V 5, 52 e. V Ga. N 2, 5 nm 25 me. V 3, 42 e. V Zn. O 1, 4 nm 60 me. V 3, 45 e. V 0, 2 0, 5 nm + Excitons Frenkel Polaritoni - + 4

Modelarea raspunsului optic in structuri semiconductoare Relatiile Fresnel: Excitoni in straturi subtiri - n( ) + - t( ) + - + + + - + r( ) - + Vi Ii t 1 …. r 0 Matricea de transfer: 5

Reflectivitatea straturilor subtiri de Zn. O. Teorie vs. Experiment 6

Excitoni in "quantum well" t. QW( ) - 1 + 0 k|| Energie Modelarea raspunsului optic in structuri semiconductoare barieră QW barieră n =2 n =1 r. QW ( ) z + kz=2 p/L ~ forta de oscilator; 7

Modelarea raspunsului optic in structuri semiconductoare V Excitoni in "quantum well" - t. QW( ) n =1 r. QW ( ) 0 barieră n =2 1 + barieră QW z + Vi IQW t 1 …. r 0 Matricea de transfer: 8

Microcavitati cuantice l/4 DBR epitaxial Al. N/Al. Ga. N l/2 DBR epitaxial Al. N/Al. Ga. N substrat 9

Microcavitati cuantice l/4 DBR epitaxial Al. N/Al. Ga. N l/2 DBR epitaxial Al. N/Al. Ga. N substrat 10

Microcavitati cuantice 11

II Spectroscopia optica a nanostructuri emitatoare de lumina Fotoluminescenta structurilor semiconductoare barieră QW hnb barieră laser Eg barieră QW In nitruri hn. QW < Eg=3. 45 e. V (Ga. N, Inx. Ga 1 -x. N, Alx. Ga 1 -x. N) 12

“Strain” in heterostructuri semiconductoare - - - - + + + + In nitruri coeficientii piezoelectrici au valori ridicate (Ga. N, Inx. Ga 1 -x. N, Alx. Ga 1 -x. N): - “strain” Camp piezoelectric: PPZ Camp de polarizare electrica spontana la interfata dintre doua materiale: PSP Ptot=PPZ+PSP (de ordinul a MV/cm) 13

Efectul campului de polarizare electrica red-shift reducerea integralei de acoperire (overlap) -> forta de oscilator scade Eg hn. QW hnb hn’QW - scade probabilitatea de recombinare radiativa - intensitatea emisiei este redusa - creste timpul de recombinare radiativa (de la psec pana la nsec) 14

Controlarea efectului de polarizare in structuri semiconductoare: - Crestere de aliaje cuaternare in care sa se anuleze reciproc polarizarea piezoelectrica PPZ si polarizarea spontana PSP - Crestera structurilor pe directii cristaline in care efectele de polarizare sunt minime - Efectul de ecranare a campului de polarizare - prin cresterea intensitati pompaj - prin reducerea largimii QW 15

Anularea camurilor de polarizare in aliaje cuaternare (Inx. Aly. Ga 1 -x-y. N) In structuri binare si aliaje ternare (Ga. N/Al. Ga. N, Ga. N/In. Ga. N) Ptot=PPZ+PSP - de ordinul MV/cm In aliaje cuaternare (y=2 x pentru Inx. Aly. Ga 1 -x-y. N) DPtot ≠ 0 DPtot = 0 Inx. Aly. Ga 1 -X-YN Reducerea efectului campului de polarizate se observa prin reducerea timpului de recombinare in cazul structurii Inx. Aly. Ga 1 -x-y. N (cu y=2 x) 16

Crestere de structuri nepolarizate pe planele cristaline a si m (hexagonal Ga. N) cuantum-dots Ga. N/Al. N 5 nm Fotoluminescenta QDs din Ga. N/Al. N HTEM [1 -100] [0001] AFM 17

Ecranarea campului de polarizare la densitati mari de pompaj - metoda de estimare a campului de polarizare in structuri Spectru rezolvat in timp ("Streak image") Regim de ecranare Regim de ne-ecranare DE ~ Ptot 18

Studiul efectelor campului piezoelectric in discurile cuantice Structuri nanocolumnare – “strain free” Epitaxie moleculara in atmosfera bogata in N (self-assembled process) • discuri cuantice Ga. N incluse in coloane de Al. Ga. N - structuri columnare fara discocari - tensiunile sunt prealuate doar de disc, bariera ramana relaxata • nanocavitati Ga. N/Al. Ga. N J. Ristić et al. Phys. Rev. B 68, 125305 (2003)19

Dependenta dinamicii de recombinare de largimea discurilor In discurile de 20Å efectul campului de polarizare este minim 20

Tehnici de detectie a semnalelor optice ultrascurte STREAK CAMERA - Principiul de functionare energie Timp fereastra temporala 800 ps rezolutie 2 ps 21

Masurarea semnalelor optice ultrascurte prin metroda single photon counting 80 MHz Proba Laser criostat L Det. Start Monocromator Time to Amplitude Convertor Stop Convertor Analog/Digital Semnal rezolvat temporal Discriminator PMT Amplif. Numarator Semnal integrat in timp (cw) 22

Laser Start TAC Intensitate Stop PL V t t 0 timp 23

Laser Start TAC Intensitate Stop PL V t t 0 timp 24

Laser Start TAC PL V t Intensitate Stop t 0 timp 25

Laser Start TAC PL V t Intensitate Stop 0 timp 26

Laser Start TAC PL V t Intensitate Stop 0 timp • intensitati foarte scazute: sub 104 fotoni/sec • necesita timp mare de integrate • rezolutie temporala limitata de fotomultiplicator - 200 ps MCP (Multi Channel Plate) - 50 ps 27

STREAK CAMERA vs. TAC 28

Tehnici de corelare pentru masurarea duratei pulsurilor ultrascurte • Autocorelare t SGH Det. Rezolutie temporala limitata de durata de puls a laserului (laser comercial - pana la 5 fsec) 29

Tehnici de corelare pentru masurarea duratei pulsurilor ultrascurte • Autocorelare t Fotodioda Ga. P (fotoconductivitate bifotonica) Rezolutie temporala limitata de durata de puls a laserului (laser comercial - pana la 5 fsec) 30

Tehnici de corelare pentru masurarea duratei pulsurilor ultrascurte • UP-Conversion Proba Laser w. REF + w. PL= w. UPConv. BBO Det. t Linie de intarziere L 31

Micro. PL Setup Single QDs dynamics Self-assembled Ga. As/Al. Ga. As quantum dots CONFOCAL MICROSCOPE Lateral resolution 0. 7µm MONOMODE OPTICAL FIBER 3. 5µm O 2 (10 X) Monocromator CCD LASER O 1 (50 X) X-Y-Z PC Sample LOW VIBRATION CRYOSTAT 32

Ga. As/Al. Ga. As Quantum Rings AFM The electronic structure and the carrier dynamics of the individual ring system is analyzed via micro-photoluminescence in CW and time resolved configuration. 33

Concluzii Proiectarea de dispozitive optoelectronice bazate pe noi materiale necesita studiul dinamici de recombinare a purtatorilor in structuri. In noile materiale (Ga. N, Zn. O. . ) procesele de recombinare se desfasoara la scara temporala foarte redusa (10 -12 sec). Spectroscopia optica ultrarapida si laserii cu pulsuri psec si fsec sunt metode folosite pentru caracterizarea materialelor si structurilor semiconductoare pentru dispozitive de inalta performanta in telecomunicatii. In viitor stucturile fotonice de tip CRISTALE FOTONICE vor aduce noi solutii in dezvoltarea Tehnicilor Informationale. 34

Photonic Crystals 35

Grazie Multumesc Merci Thank you 36