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1、第19卷第1期 半 导 体 学 报 Vol.19,No.11998年1月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJan.,1998ZnSeöZnCdSe多量子阱3激子光学非线性栗红玉 申德振 张吉英 杨宝均 范希武(中国科学院长春物理研究所激发态物理开放实验室 长春 130021)摘要 本文采用泵浦2探测技术研究了ZnSeöZnCdSe多量子阱室温激子饱和吸收,并根据K2K关系计算得到521.6nm至544nm的光学非线性折射率的变化.观测到由折射率变化引
2、起的ZnSeöCdZnSe多量子阱光双稳器件的室温激子光双稳.根据ZnSeöZnCdSe多量子阱的激子吸收谱及激子的非线性理论,归结其主要非线性机制为激子态的相空间填充和激子带展宽.PACC:4265,6865,7320,7340L,78651 引言宽带Ê2Î族半导体超晶格具有较大的激子束缚能和较强的激子光学非线性,有望成为未来光计算机某些基础元件的理想候选材料,因此对Ê2Î族材料的激子光学非线性及光双[1]稳的研究日益受到人们的广泛重视.1990年Ding等人报道了(Zn,Cd)Se2ZnSe多量子阱[2]的室
3、温激子吸收;1995年Lowisch等人研究了MBE(分子束外延)生长的CdZnSeöZnSe三个量子阱的低温激子光学非线性.本文报道了由MOCVD(金属有机化学气相沉积)生长的ZnSeöZnCdSe多量子阱激子光学非线性,计算得到非线性折射率变化,并研究了由折射率变化而引起的光学双稳态.2 实验实验中使用的ZnSeöZnCdSe多量子阱样品是用MOCVD方法生长在n型GaAs衬底上,ZnCdSe阱层和ZnSe垒层分别为5nm和10nm,并重复50个周期.采用电化学阳极腐蚀[3]GaAs衬底的方法,对ZnSeöZ
4、nCdSe多量子阱层进行选择性腐蚀以获得通光窗口;在-41133×10Pa的压强下,用热蒸发方法在样品表面蒸镀F2P腔,制备成光双稳器件.样品的非线性吸收测量采用泵浦2探测技术.泵浦光为氮分子激光器的33711nm脉冲3中国科学院院长基金特别支持项目栗红玉 女,1969年出生,研究生从事宽带半导体器件与物理的研究申德振 男,1959年出生,研究员从事宽带半导体器件与物理的研究1996210213收到,1997202202定稿1期 栗红玉等:ZnSeöZnCdSe多量子阱激子光学非线性
5、13激光线,脉冲持续时间为10ns,重复频率为10Hz;探测光为氮分子激光器泵浦香豆素480获得的同步脉冲输出,经减光后进行探测.接收装置为C31034型光电倍增管和4400型Box2car取样积分器,测量过程中,保持泵浦光与探测光在时间上和空间上同步,测量装置如图1所示.光双稳特性是通过测量随时间变化的瞬时透射光强与入射光强的变化关系得到.激发源是Nd:YAG激光器,其脉冲激光输出波长为532nm,脉冲宽度为200ps,重复频率为1Hz.入射和透射光强的瞬态变化由M176高速条纹相机接收.图1ZnSeöCdZn
6、Se多量子阱的激子光学非线性测量装置图3 实验结果与讨论B:分束板,S:样品,L1、L2:透镜,DYE:M1,M2,M3:反射镜,P:光电倍增管,B4400:44003.1ZnSeöZnCdSe多量子阱的光学非线性型积分系统,PI:打印机,N2Laser:图2是在不同泵浦光强下测得的激子吸收氮分子激光器,可调谐染料激光器.谱.从图2中我们可以观察到,没有泵浦光时样品有明显的激子吸收;随着泵浦光光强的增加激子吸收逐渐减少,在激子吸收两侧出现吸收增2强并且吸收峰出现蓝移,没有观察到吸收边的移动.当泵浦光强为210kW
7、öcm时,激子吸收带几乎退化为一个吸收肩胛,这说明在强光作用下出现激子饱和吸收现象.[4]根据Kramers2Kronig关系有∞21K$A(K′)$n(K)=∫22′2dK′(1)2P0K-K由公式(1),我们根据不同波长K′的吸收系数的改变量$A(K′)可获得不同波长K的折射率的改变量$n(K),在实际测量中,测量的吸收系数的波长范围不可能从零到无穷大,但根据半导体的特性,激子吸收系数的改变量只涉及在激子吸收区的较小范围内,其它范围的吸收改变量均为零.所以实际图2 不同泵浦光强下ZnSeöCdZnSe公式(1
8、)可变为多量子阱的吸收谱1KbK2$A(K′)泵浦光强为0MWöcm2(—);$n(K)=2P∫2KK2-K′2dK′(2)a0.1MWöcm2(-·-);其中 Ka至Kb是当激发光强增加引起的激子吸收0.21MWöcm2(---)变化的波长区.在实验中,由图2可知,Ka为52116nm,Kb为544nm,根据图2的实验结果及公式(2)进行理论计算得到计算结果如图3所示.
