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GaAs中载流子驰豫动力学的理论与实验研究

滕利华  丁必锋  刘晓东  赖天树  
【摘要】:半导体中受激载流子的驰豫动力学过程一直以来都是比较复杂的问题。泵浦-探测实验中通过带间跃迁吸收泵浦光后形成的受激载流子对导带态及价带态的填充出现带填充效应,会对探测光形成吸收饱和,另外在较高的激发浓度下受激载流子的多体效应引起带隙重整化效应(能隙收缩),会对探测光形成反饱和吸收。分别从实验上和理论上对GaAs半导体材料的透射谱进行了测量和定量计算。实验上,分别在不同受激载流子浓度(1017cm-3~1018cm-3)和不同探测波长(750nm~850nm)下测得饱和吸收实验谱线。发现载流子浓度为6×1017cm-3,探测波长在750nm~800nm范围内时有明显的反饱和吸收现象出现,并且波长越短反饱和吸收现象越明显。理论上,考虑载流子复合和电子冷却两个过程,改变受激载流子浓度(1017cm-3~1018cm-3)、探测波长(750nm~850nm)以及泵浦光和探测光的延迟时间, 计算得到带填充效应和带隙重整化效应引起透射光强的变化随延迟时间的关系。结果表明在恒定的载流子浓度下,带填充效应随探测波长的增大有增大趋势,在恒定的探测波长下,带隙重整化效应随载流子浓度的增大有增大的趋势。载流子浓度为6×1017cm-3,探测波长在750nm~800nm范围内时,带隙重整化效应引起吸收系数的增大明显大于带填充效应引起吸收系数的减小,并且波长越短带填充效应引起吸收系数的减小量越小,与实验结果很好的吻合。另外,由已得到的两种效应共同作用下吸收系数的变化再结合克雷默斯-克朗尼(Kramers-Kronig)关系计算得到了反射谱线随受激载流子浓度、探测波长以及延迟时间的变化关系。

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