University of Florence, Dept. of Physics

1. Dinamica de recombinare a purtătorilor de sarcină în structurile semiconductoare Marian Zamfirescu "Marie Curie“ – Experienced Researcher: 1st March 2004 – 30 Nov. 2005 EU-RTN "Clermont2" - Physics of microcavities University of Florence, Dept. of Physics

2. 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 TorVergata, Roma, Italia (A.di Carlo, A.Reale) • Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand, Franta (A.Kavokin, G.Malpuech)

3. Sumarul Prezentarii I Modelarea răspunsului optic in structuri semiconductoare IISpectroscopia optica a nanostructuri emitatoare de lumina: - microcavitati cuantice - nanocoloane - cuantum dots IIITehnici de detectiea semnalelor optice ultrascurte - streak camera - single photon counting - upconversion IV Micro-spectroscopie

4. Interactia lumina-materie. Excitoni in structuri semiconductoare Excitoni Wannier-Mott electron + gol = exciton (bozon) - 0,20,5 nm + Excitons Frenkel Polaritoni - +

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

6. Reflectivitatea straturilor subtiri de ZnO. Teorie vs. Experiment

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

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

9. Microcavitati cuantice l/4 DBR epitaxial AlN/AlGaN l/2 DBR epitaxial AlN/AlGaN substrat

10. Microcavitati cuantice l/4 DBR epitaxial AlN/AlGaN l/2 DBR epitaxial AlN/AlGaN substrat

11. Microcavitati cuantice

12. IISpectroscopia optica a nanostructuri emitatoare de lumina Fotoluminescenta structurilor semiconductoare barieră QW barieră laser hnb hnQW Eg barieră QW In nitruri hnQW < Eg=3.45 eV (GaN, InN, InxGa1-xN, AlxGa1-xN)

13. - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + “Strain” in heterostructuri semiconductoare In nitruri coeficientii piezoelectrici au valori ridicate (GaN, InN, InxGa1-xN, AlxGa1-xN): - “strain”Camp piezoelectric: PPZ Camp de polarizare electrica spontana la interfata dintre doua materiale: PSP Ptot=PPZ+PSP (de ordinul a MV/cm)

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

15. Controlul 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

16. Anularea campurilor de polarizare in aliaje cuaternare (InxAlyGa1-x-yN) InxAlyGa1-X-YN In structuri binare si aliaje ternare (GaN/AlGaN, GaN/InGaN) Ptot=PPZ+PSP - de ordinul MV/cm In aliaje cuaternare (y=2x pentru InxAlyGa1-x-yN) DPtot ≠ 0 DPtot = 0 Reducerea efectului campului de polarizate se observa prin reducerea timpului de recombinare in cazul structurii InxAlyGa1-x-yN (cu y=2x)

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

18. 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

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

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

21. Tehnici de detectie a semnalelor optice ultrascurte STREAK CAMERA - Principiul de functionare energie fereastratemporala800ps rezolutie 2ps Timp

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

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

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

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

26. t Laser Start TAC Stop Intensitate PL V 0 timp

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

28. STREAK CAMERA vs. TAC

29. 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 5fsec)

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

31. Tehnici de corelare pentru masurarea duratei pulsurilor ultrascurte • UP-Conversion Proba Laser wREF + wPL= wUPConv. BBO Det. t Linie de intarziere L

32. MicroPL Setup Single QDs dynamics Self-assembled GaAs/AlGaAs quantum dots CONFOCALMICROSCOPE MONOMODE OPTICAL FIBER 3.5µm Lateralresolution0.7µm O2 (10X) Monocromator CCD LASER O1 (50X) X-Y-Z PC Sample LOW VIBRATION CRYOSTAT

33. GaAs/AlGaAs 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.

34. Concluzii Proiectarea de dispozitive optoelectronice bazate pe noi materiale necesita studiul dinamici de recombinare a purtatorilor in structuri. In noile materiale (GaN, ZnO..) 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.

35. Photonic Crystals

36. Grazie Multumesc Merci Thank you