[论文解读] Non-linear dynamics and inner-ring photoluminescence pattern of indirect excitons

Mathieu Alloing, A. Lemaı̂tre+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 3

一句话总结

本研究探讨了在光学激发下，双量子阱异质结构中极低温间接激子内环光致发光图案的起源。通过高时空分辨率光谱测量，作者证明该内环源于激子的局域激光加热，而非电离，且激子密度远低于莫特转变阈值——该结论通过采用超晶格结构抑制栅压引起的电场涨落，实现精确的密度估算而得到证实。

ABSTRACT

We study the photoluminescence dynamics of ultra-cold indirect excitons optically created in a double quantum well heterostructure. Above a threshold laser excitation, our experiments reveal the apparition of the so-called inner photoluminescence ring. It is characterized by a ring shaped photoluminescence which suddenly collapses once the laser excitation is terminated. We show that the spectrally resolved dynamics is in agreement with an excitonic origin for the inner-ring which is formed due to a local heating of indirect excitons by the laser excitation. To confirm this interpretation and exclude the ionization of indirect excitons, we evaluate the excitonic density that is extracted from the energy of the photoluminescence emission. It is shown that optically injected carriers play a crucial role in that context as these are trapped in our field-effect device and then vary the electrostatic potential controlling the confinement of indirect excitons. This disruptive effect blurs the estimation of the exciton concentration. However, it suppressed by smoothing the electrostatic environment of the double quantum well by placing the latter behind a super-lattice. In this improved geometry, we then estimate that the exciton density remains one order of magnitude smaller than the critical density for the ionization of indirect excitons (or Mott transition) in the regime where the inner-ring is formed.

研究动机与目标

• 解决关于间接激子内环光致发光图案起源的长期争议。
• 应对光学注入载流子扭曲场效应器件静电环境所导致的激子密度估算不准确问题。
• 通过在受控条件下测量光谱动力学与能级位移，验证内环的热起源。
• 证明超晶格结构可抑制载流子引起的势能涨落，从而实现可靠的激子密度量化。
• 确立内环是激子局域加热及随后冷却的特征，而非电离的前兆。

提出的方法

• 在400 mK下，以2 ns时间分辨率进行时间分辨、空间与光谱分辨的显微光致发光测量。
• 采用场效应器件结合双量子阱（DQW）以栅压控制激子局域化。
• 在栅极下方410 nm处引入30对GaAs/AlAs超晶格（3/1 nm），以屏蔽光注入载流子引起的势能涨落。
• 通过测量光致发光发射的能级位移推断激子密度，并校正电场变化的影响。
• 比较激光光斑内与外的光谱线宽演化与强度动力学，以区分热效应与电离效应。
• 进行空间平均光谱分析，追踪激发功率与时间相关的能级位移及线宽演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光脉冲结束时，内环光致发光为何出现强度突增与光谱线宽迅速变窄？
• RQ2 内环图案是由于间接激子的局域加热所致，还是电离（莫特转变）的前兆？
• RQ3 光学注入并被捕获在肖特基接触处的载流子如何影响基于光致发光能级位移估算激子密度的准确性？
• RQ4 超晶格结构能否有效抑制载流子引起的静电涨落，并实现可靠的激子密度测量？
• RQ5 在内环形成区域的实际激子密度是多少？其与莫特转变阈值相比如何？

主要发现

• 内环光致发光在激光脉冲结束时表现出强烈的强度跃迁与快速的光谱线宽减小，表明激子发生突然的热猝灭。
• 光谱线宽在激光脉冲后10 ns内由~4.2 meV降至~2.2 meV，表明其与热弛豫过程一致。
• 在超晶格器件中，最高激发功率下光致发光最大能级位移仅为2.8 meV，对应激子密度约~5×10¹⁰ cm⁻²。
• 该激子密度约为莫特转变临界密度的十分之一，排除了电离作为内环起源的可能性。
• 能级位移随距激光光斑距离增加而减小，表明激子浓度呈径向降低，与热膨胀及冷却过程一致。
• 激光脉冲结束后，光致发光能量在激子云中呈现空间均匀分布，证实当超晶格抑制载流子引起的势能不均匀性时，电场分布均匀。