Photoluminescence in quantum well and bulk GaAs: a direct comparative study

Summary

We report a study of photoluminescence and reflectivity of GaAs/Ga_1−x Al _x As multiple quantum well structures from 12 K to room temperature. A direct comparison between the emission peaks of the quantum wells and of bulk GaAs, as well as between the photoluminescence and reflectance spectra, shows strong evidence of exciton features up to room temperature. By means of a line shape fit of the room temperature emission spectrum, we determine the contribution of the heavy and light hole excitons and of the continuum states. From a detailed analysis of the transition energies, a 5% increase of the confinement energy is found to occur when the temperature increases from 12 K to room temperature. This effect is shown to be due to the change in the electron and hole effective masses.

Riassunto

Si presenta uno studio sistematico della luminescenza e della riflettività di strutture a buche quantiche multiple di GaAs/Ga_1−x Al _x As da 12K a temperatura ambiente. Un confronto diretto tra i picchi di fluorescenza dovuti a stati nelle buche quantiche e a quelli nell'arseniuro di gallio, cosí come il confronto tra fotoluminescenza e riflettività, forniscono una prova diretta del ruolo degli eccitoni a tutte le temperature. L'analisi spettrale della fluorescenza a temperatura ambiente ci consente di identificare il contributo degli eccitoni di buca pesante, degli eccitoni di buca leggera e degli stati del continuo. Un'analisi dettagliata delle energie di transizione in funzione della temperatura mostra che l'energia di confinamento aumenta del 5% quando la temperatura aumenta da 12K a temperatura ambiente. Questo effetto è dovuto alla variazione delle masse effettive dell'elettrone e della buca.

Резюме

Мы исследуем фотолюминесценцию и отражение структур множественных квантовых ям в GaAs/Ga_1−x Al _x As в области от 12K до комнатной температуры. Прямое сравнение между эмиссионными пиками для квантовых ям и для объема арсенида галлия, а также между спектрами фотолюминесценции и отражения обнаруживает наличие экситонных особенностей при всех исследованных температурах. Подгоняя форму линий для спектра фотолюминесценции при комнатной температуре, мы определяем вклад экситонов тяжелых дырок, экситонов легких дырок и состояний непрерывного спектра. Из подробного анализа энергий перехода в зависимости от температуры показывается, что энергия удержания увеличивается на 5% при возрастании температуры от 12K до комнатной температуры. Отмечается, что этот эффект обусловлен изменением эффективных масс электрона и дырки.