Магнитооптика квазиодномерных и квазинульмерных полупроводниковых структур с примесными центрами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Грунин, Александр Борисович

• Грунин, Александр Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Грунин, Александр Борисович

Введение.

Глава 1. Примесное магнитопоглощение света в полупроводниковой квантовой нити с параболическим потенциалом конфайнмента

1.1 Введение.

1.2Энергетический спектр 0(,-центра в продольном магнитном поле.

1.3 Сечение фотоионизации 0(-)-центров в случае продольной поляризации света.

1.4Сечение фогоионизации В()-центров в случае поперечной поляризации света.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Магнитооптика комплексов «квантовая точка - 0()-центр»

2.1 Введение.

2.2Энергетический спектр комплекса «квантовая точка - В« -центр» в квантующем магнитном поле.

2.3Эффект «магнитного вмораживания» основного состояния квантовой точки.

2.4Квантово-размерный эффект Зеемана.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Эффект увлечения одномерных электронов при фотоионизации примесных центров в продольном магнитном поле

3.1 Введение.

3.2Расчет матричного элемента оптического перехода электрона из основного состояния -центра в гибридно-квантованные состояния полупроводниковой квантовой нити.

3.3Ток увлечения при фотоионизации Б^-центров в продольном магнитном поле.

Выводы к главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитооптика квазиодномерных и квазинульмерных полупроводниковых структур с примесными центрами»

Магнитооптика низкоразмерных полупроводниковых систем (НПС) в настоящее время привлекает значительное внимание исследователей. В случае 2Э-электронного газа она оказалась весьма эффективным инструментом экспериментального изучения кулоновских корреляционных эффектов (обзор дан в [1]). Изучение спектров фотолюминесценции квантовых точек (КГ) в полупроводниковых гетероструктурах в зависимости от магнитного поля В позволило выявить фактор размерности при переходе от квазисостояния (Ю- к 2ГЗ-магнитоэкситонным состояниям [2, 3]. Интенсивное развитие технологии 8-легирования стимулирует интерес к проблеме управляемой модуляции энергии связи примесных состояний [4] и, соответственно, управления энергиями оптических переходов. Это важно, как с фундаментальной точки зрения, поскольку двойное квантование содержит ряд дополнительных возможностей исследования зонной структуры НПС, так и с точки зрения создания фотоприемников с управляемой рабочей частотой и чувствительностью в области примесного поглощения света. Действительно, примесные атомы и дефекты в полупроводниках являются не только центрами рассеяния и рекомбинации носителей заряда, но и что наиболее важно для приборных приложений, радикально влияют на физические свойства полупроводника, выступая в качестве легирующих до^жвок. Энергия ионизации примесных атомов является в этом случае важным параметром, определяющим концентрацию свободных носителей заряда. Возможность управлять этим параметром открывает перспективу для изменения концентрации носителей заряда в полупроводниках в достаточно широких пределах вследствие экспоненциальной зависимости функции распределения от энергии вблизи уровня Ферми. В массивных полупроводниках возможности влиять на энергию связи электрона на 4 примесном атоме, прикладывая, например, внешнее электрическое поле, весьма ограничены. Это обусловлено отчасти тем, что электрическое поле слабо возмущает состояния непрерывного спектра, из которых формируется локализованное состояние. Иная ситуация имеет место в НПС (обзор дан в [4]). Так, в случае полупроводниковых гетероструктур, сформированных на основе композитных полупроводников, движение электронов в квантовых ямах (КЯ) ограничено в плоскости, перпендикулярной к слоям. При наложении внешнего электрического поля, перпендикулярного слоям, возможен эффект передислокации электронной волновой функции из одной КЯ в другую [5]. При этом происходит инверсия нижних энергетических подзон размерного квантования, и, как следствие, локализованное состояние, которое формируется главным образом из нижней подзоны, изменяет свою энергию связи и форму волновой функции [6]. При этом величина внешнего электрического поля, необходимого для передислокации волновых функций и изменения энергии связи примесного состояния, существенно определяется параметрами гетероструктуры. Следует отметить, что принципиально важным моментом является возможность оптимизации этих параметров с целью достижения максимальной передислокации волновых функций электронов в системе КЯ при минимальных значениях напряженности электрического поля. Наличие размерного квантования приводит к значительному сдвигу верхнего предела допустимых электрических полей по сравнению с соответствующими значениями для массивных полупроводников. Важным моментом является то, что передислокация электронных волновых функций в НПС может происходить не только во внешнем электрическом поле, но и под действием магнитных полей [7], электромагнитного излучения [8] или температуры [9]. С точки зрения приборных приложений эффект модуляции энергии связи примесных состояний 5 привлекает возможностью построения на его основе новых квантовых приборов с уникальными характеристиками [4]. Так, например, система КЯ может быть использована в качестве канала полевого транзистора, при этом одна из КЯ играет роль резервуара электронов. В таком приборе время формирования канала определяется временем туннелирования электронов из одной КЯ в другую. Приложенное электрическое поле вызывает переход волновой функции из КЯ, легированной донорными примесями, в нелегированную КЯ. В результате нарушается связь электронов с примесными атомами, энергия ионизации примесей уменьшается, и электроны переходят с примесных атомов в зону проводимости, образуя проводящий канал полевого транзистора. Рассмотренный эффект приводит к значительному изменению концентрации свободных носителей заряда и обеспечивает необходимую для нормальной работы транзистора модуляцию проводимости канала [4].

Управляемые туннельные двухбарьерные структуры в полях импульсного лазерного излучения теоретически рассматривались в [10, 11]. Интерес к двухбарьерным структурам в импульсном поле обусловлен возможностью использования входящей последовательности оптических импульсов для кодирования информации, а также для передачи этой информации в виде последовательности импульсов за счет изменения приложенного пульсирующего поля. В работе [12] представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований, в которых проявляется влияние локализованных состояний и межчастичных взаимодействий на процессы туннелирования в НПС. Существенное влияние локализованных состояний на туннельные процессы в НПС вызвано следующими причинами [12]: 1) уменьшение ширины туннельного барьера до размеров межатомных расстояний приводит к сильной перестройке первоначального электронного спектра вследствие эффектов гибридизации; 2) характерный радиус локализации и размер 6 туннельного перехода имеют один порядок величины, поэтому характер туннелирования может определяться свойствами локализованного состояния; 3) в НПС энергетические уровни связанных локализованных состояний могут смещаться в область запрещенной зоны даже в том случае, если первоначальные примесные уровни энергии находятся ниже границы энергетического спектра валентной зоны; 4) конечное время релаксации неравновесных электронов приводит к существенному изменению временных характеристик туннельного тока, особенно в присутствии локализованных состояний.

В магнитооптических явлениях роль локализованных состояний теоретически изучалась в [13] в случае полупроводниковой КЯ с использованием модели многофононных оптических процессов. Локализованное состояние в [13] описывалось в модели потенциала нулевого радиуса. Однако, расчет коэффициента примесного магнитопоглощения выполнен авторами [13] в квантовом пределе и без учета влияния магнитного поля на волновую функцию локализованного состояния. В работе [14] экспериментально исследовалось магнитооптическое поглощение, связанное с переходом электрона с центра на уровни Ландау в многоямных системах ОаАз-Са 0.75 А1 0.25 Аб. Было обнаружено [14], что в таких многоямных системах энергия связи В^-состояния Ет> с ростом величины магнитного поля В увеличивается. Так, при 2?=0Тл £Ь«1мэВ, а при £=20Тл Ет^ПиэВ. При этом наблюдалась осциллирующая зависимость коэффициента примесного магнитопоглощения от частоты света с полушириной пиков поглощения 4.8мэВ [14]. При анализе эксперимента обычно используют вариационный подход для описания локализованного состояния электрона на О^-центре [15]. Этот подход обладает хорошо известными недостатками, наиболее существенный из которых - элемент случайности в выборе пробных волновых функций. 7

Хорошо известно [16, 17], что в условиях низких температур нейтральные донорные и акцепторные примеси могут захватывать соответственно электрон или дырку, образуя заряженные состояния, так называемые или А(+)-центры. В массивном полупроводнике типа ваАэ их энергия связи составляет доли мэВ, однако она значительно возрастает в IIПС, что облегчает их исследование. В двумерных структурах стационарные Б«- или -центры обычно получают методом двойного селективного легирования [16] (одновременного легирования КЯ и барьера). В работе [17] исследовались фотолюминесцентные свойства многоямных структур на основе СаАБ / АЮаАэ, содержащих положительно заряженные акцепторные состояния мелкой примеси бериллия (А(+)-центры). В результате обнаружена новая линия люминесценции, которая является результатом излучательной рекомбинации свободных электронов с А(+)-центрами. В [17] показано, что энергетическое положение этой линии однозначно определяется энергией связи А(+)-центров. Наиболее интересной является обнаруженная в [17] зависимость энергии связи А(+)-центра от ширины КЯ: по мере уменьшения ширины КЯ энергия связи А(+)-центра возрастает в случае, когда размер КЯ сопоставим с радиусом локализации дырок на А(+)-центрах.

Понижение размерности электронного газа должно приводить к существенным изменениям физических свойств полупроводниковых наноструктур [18]. В 80-е годы прогресс в физике гетероструктур с КЯ стимулировал исследования полупроводниковых структур еще меньшей размерности - квантовых нитей (КН) и квантовых точек (КТ). В отличие от КЯ, где носители заряда ограничены только в направлении, перпендикулярном к слоям, в КН носители заряда ограничены в двух направлениях и свободно перемещаются вдоль оси КН. В КТ носители заряда ограничены во всех трех направлениях и обладают полностью 8 дискретным спектром. На рис. 1 показаны схематические диаграммы функции плотности состояний для КН и КТ. Видно, что в случае КН для функции плотности состояний характерны острые максимумы, а в случае КТ - 5-образная функция плотности состояний.

Многочисленные способы создания КН (обзоры даны в [19, 20]) могут быть условно разделены на две основные группы: 1) создание КН путем травления исходных двумерных структур; 2) формирование КН непосредственно в процессе выращивания полупроводниковой структуры. Методы, относящиеся к первой группе, обладают несомненными преимуществами, которые особенно важны на этапе изучения физических свойств КН [21]. Суть этих преимуществ состоит в том, что, во-первых, при травлении структур с КЯ можно в достаточно широких пределах варьировать геометрические размеры получаемых КН. Во-вторых, при использовании этого способа можно проводить сопоставление свойств исходных КЯ и получаемых из них КН. В работе [21] описан процесс получения и представлены исследования КН на основе гетероструктур ГпСаАв / ваЛз. При изготовлении экспериментальных образцов [21] на первом этапе методом МОС - гидридной эпитаксии выращивались исходные гетероструктуры с КЯ. Структуры выращивались на подложках из полуизолирующего ваАв (100) и содержали последовательно широкозонный слой n-Alo.3Gao.7As толщиной 0.8 мкм, нелегированные слои СаАэ (0.15 мкм), Ino.15Gao.85As (10 нм, КЯ) и слой ваАз (0.07 мкм). Содержание фоновых примесей в нелегированных слоях не превышало «2х1018см

Формирование КН начиналось с создания маски на поверхности пластины. Дня этого на поверхность наносился слой гшазмостойкого фоторезиста А2-13751 толщиной 0.1 мкм, который затем засвечивался двухлучевой интерференционной картиной, полученной от Аг-лазера (с длиной волны 351 нм). Экспонированный фоторезист обрабатывался в 9

Рис. 1 Схематические диаграммы функции плотности состояний ёс{Е) Для структур с КН (а) и КТ (б).

10 проявителе А2-303. Полученная маска имела вид параллельных полос фоторезиста шириной 80-100 нм, расположенных с периодом 0.2 мкм. Реактивное ионное травление структур через полученную маску проводилось на установке С111-3 00 А1ка1е! в смеси ВС13 С12 N2 1:1:1 при давлении в камере 0.8 Па и напряжении автосмещения 50 В, что обеспечивало малую концентрацию дефектов в приповерхностной области полупроводникового материала. При выбранных в [21] параметрах процесса травление было анизотропным, благодаря чему образовавшиеся под маской гребни имели прямоугольное сечение, а их поперечный размер совпадал с шириной полосы маски. Глубина травления составляла 0.15 мкм, так что узкие участки КЯ 1по.15 Оаояз Аэ, остающиеся в каждом гребне (т. е. КН), располагались примерно на половине его высоты. После удаления маски в плазме кислорода на последнем этапе формирования КН образцы помещались в реактор установки хлорид-гидридной газофазной эпитаксии, где осуществлялись дополнительное подгравливание поверхности и затем заращивание рельефной поверхности образцов слоем нелегированного СаАз. Травление поверхности в газовой фазе позволяло варьировать среднюю ширину получаемых КН от 80 до 40 нм [21].

Несмотря на общность многих квантово-размерных эффектов, возникающих во всех структурах пониженной размерности, существует одно принципиальное отличие КТ от других НПС - в КТ в отличие от КЯ или КН свойства электронов и дырок нельзя описать на основе представления о газе квазичастиц. Другая особенность квазинульмерных структур (КТ) связана с очевидными трудностями, возникающими при исследовании кристаллитов размером несколько нанометров электрическими методами. В настоящее время электронные процессы в КТ изучаются главным образом оптическими методами. Существует несколько способов получения полупроводниковых КТ в прозрачных матрицах (обзор дан в [22]). Первый способ основан на методах

11 коллоидной химии и позволяет получать кристаллиты соединений 1I-VI радиусом 1-5 нм в органических растворителях, полимеризующихся при комнатной и более низких температурах [23 - 27]. Отличительные особенности этого метода - низкая температура синтеза коллоидных частиц (около 200 С), а также возможность изменения в широких пределах концентрации полупроводниковой фазы и получения относительно узкого распределения частиц по размерам. К несомненным достоинствам этой технологии следует отнести также возможность уменьшения поверхностных дефектов за счет компенсации оборванных связей, а также возможность контроля зарядового состояния коллоидных частиц. Форма полупроводниковых частиц при этом близка к сферической [28]. Другой широко распространенный способ заключается в приготовлении неорганического стекла, окрашенного кристаллитами соединений II-VI и I-VII. Этот способ тесно связан с промышленной технологией получения отрезающих [29] и фотохромных [30] светофильтров. Основным его преимуществом является возможность получения стабильных твердотельных квазинульмерных структур, а также доступность коммерческих образцов цветного и фотохромного стекла для широкого исследования. К недостаткам метода следует отнести сравнительно высокую температуру роста кристаллитов в стеклянной матрице (550 -700 С), что способствует возникновению дефектов, сложность контроля чистоты исходных компонентов, невозможность получения узкого распределения кристаллитов по размерам, практически полное отсутствие возможности контролируемого воздействия на физико-химические параметры границы раздела матрица — кристаллит. Тем не менее эта технология довольно широко распространена [22].

Следует отметить, что технология изготовления НПО, как правило, сопровождается появлением неконтролируемых легирующих добавок, которые могут радикально влиять на электронные процессы в квантовых

12 структурах. С другой стороны, технология 5-легирования позволяет целенаправленно изменять физические свойства таких структур. Поэтому исследование локальных электронных состояний в НПС, изучение их энергетического спектра, оптических и магнитооптических свойств является одним из приоритетных направлений физики низкоразмерных полупроводниковых структур.

Настоящая диссертационная работа посвящена развитию теории примесного магнитооптического поглощения в полупроводниковых структурах с КН и КТ на основе метода потенциала нулевого радиуса в рамках модели параболического потенциала конфайнмента, а также исследованию эффекта фотонного увлечения (ЭФУ) одномерных электронов в продольном магнитном поле с участием 0(-)-центров. Актуальность проведенных исследований определяется большим объемом научной информации о параметрах зонной структуры, которую можно получить из анализа Зеемановского сдвига энергии в спектрах примесного магнитопоглощения КН и КТ, а также высокой чувствительностью ЭФУ к энергетическому спектру и механизмам релаксации импульса одномерных электронов.

Цель диссертационной работы заключалась в теоретическом изучении примесного магнитооптического поглощения в полупроводниковых структурах с КН и КТ, а также ЭФУ одномерных электронов при фотоионизации О^-центров в продольном магнитном поле.

Задачи диссертационной работы

1. В рамках модели потенциала нулевого радиуса получить уравнение, определяющее зависимость энергии связанного на В()-центре

13 электрона от величины В магнитного поля, параметров КН и координат примесного центра.

2. Теоретически исследовать примесное магнитопоглощение, связанное с оптическими переходами электронов из -состояния в гибридно-квантованные состояния полупроводниковой КН для случая продольной и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации света.

3. Методом потенциала нулевого радиуса исследовать энергетический спектр комплекса «К Г - В^-центр» в квантующем магнитном поле.

4. Теоретически исследовать магнитооптическое поглощение комплексов «КТ - В^-центр», синтезированных в прозрачной диэлектрической матрице для случая продольной и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации света с учетом дисперсии размеров КТ.

5. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получить аналитическое выражение для плотности тока увлечения (ТУ) и исследовать ее спектральную зависимость для различных значений величины В и параметров КН при рассеянии электронов на системе точечных примесей.

6. Теоретически исследовать возможность использования ЭФУ одномерных электронов в продольном магнитном поле для разработки детекторов импульсного лазерного излучения.

Научная новизна полученных результатов

1. В рамках модели потенциала нулевого радиуса получено аналитическое решение уравнения Липпмана-Швингера для волновой функции электрона, локализованного на короткодействующем потенциале

14 соответственно в КН и в КГ с параболическим потенциалом конфайнмента при наличии квантующего магнитного поля.

2. Вычислена энергия локального состояния при различном положении примесного центра соответственно в КН и в КТ и найдена ее зависимость от величины магнитного поля. Показано, что наличие магнитного поля приводит к стабилизации связанных состояний в КН. Для комплекса «КТ - В()-центр» характерна пространственная анизотропия энергии связи.

3. В приближении эффективной массы рассчитано сечение фотоионизации 0()-центров в КН для случая продольной и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации света. Показано, что в случае продольной поляризации света оптические переходы с примесного уровня возможны только в гибридно-квантованные состояния КН со значением магнитного квантового числа т = 0, а в случае поперечной поляризации — т = ±1.

4. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы рассчитан коэффициент примесного магнитопоглощения света в КТ, синтезированных в прозрачной диэлектрической матрице, для случаев продольной и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации света с учетом дисперсии размеров КТ. Показано, что в случае продольной поляризации света оптические переходы возможны только в состояния с нечетными значениями осцшшяторных квантовых чисел п2 =2« + 1 п - 0,1,2,.) и т = 0. В случае поперечной поляризации - п2 = 2п и т = ±1.

5. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получено аналитическое выражение для плотности тока увлечения при фотоионизации В( >-центров в КН и исследована ее

15 спектральная зависимость для различных значений Я при рассеяния электронов на системе короткодействующих примесей.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы задача на связанные состояния в системе «КН -В()-дентр» и в комплексе «КТ - О^-центр» при наличии квантующего магнитного поля решена аналитически точно.

2. Наличие магнитного поля приводит к ощутимому изменению положения примесных уровней и к стабилизации связанных состояний в КН. Кардинальная модификация электронных состояний в КТ, обусловленная гибридным квантованием в плоскости ху и размерным квантованием в направлении магнитного поля, является причиной пространственной анизотропии энергии связи О^-центра.

3. Следствием магнитного квантования является эффект гибридизации спектра примесного магнитопоглощения в КН и в структурах с КТ.

4. Спектр примесного магнитопоглощения света поперечной поляризации в КН представляет собой серию резонансных пиков, имеющих дублетную структуру. Пики, составляющие дублет, располагаются друг от друга на расстоянии, определяемом циклотронной частотой, а дублеты располагаются периодично с периодом, равным г ибридной частоте.

5. Для спектральной зависимости коэффициента примесного магнитопоглощения света поперечной поляризации в случае комплексов «КТ - Э^-центр», синтезированных в прозрачной диэлектрической матрице, характерен квантовораз мерный эффект Зеемана с асимметричным дублетом.

16

6. Развита теория примесного эффекта фотонного увлечения в КН при наличии магнитного поля, направленного вдоль оси КН.

7. Для спектральной зависимости плотности тока фотонного увлечения одномерных электронов в продольном магнитном поле характерен дублет Зеемана с ярко выраженным пиком типа «клюва», связанным с оптическими переходами электронов из В^-состояний в состояния с т = 1. Положение «клюва» и его высота зависят от величины магнитного поля.

Практическая ценность работы

1. Возможность управления энергией ионизации примесных центров в магнитном поле позволяет изменять концентрацию носителей заряда в достаточно широких пределах вследствие экспоненциальной зависимости функции распределения от энергии вблизи уровня Ферми в КН.

2. Развитая теория магнитооптического поглощения комплексов «КТ

-центр» может быть использована для разработки фотоприемников на основе гетерофазных систем с управляемой полосой примесного поглощения света.

3. Анализ Зеемановского сдвига энергии в спектрах примесного магнитопоглощения, а также периода осцилляций позволяет получить информацию о параметрах зонной структуры КН и КТ.

4. Развитая теория примесного эффекта фотонного увлечения в КН в продольном магнитном поле позволяет разработать детекторы лазерного излучения с управляемой фоточувствительностью.

17

Диссертационная работа состоит из трех глав.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию примесного магнитопоглощения света в полупроводниковой КН с параболическим потенциалом конфайнмента. Магнитное поле направлено вдоль оси КН. Потенциал примеси имитировался потенциалом нулевого радиуса. Векторный потенциал однородного магнитного поля выбирался в симметричной калибровке. Задача определения волновой функции и энергии связанного состояния примесного центра состоит в построении одноэлектронной функции Грина для уравнения Шредингера с последующим использованием формулы для билинейной производящей функции. В данной главе показано, что в приближении эффективной массы задача на связанные состояния в системе «КН - В^-центр» при наличии продольного магнитного поля допускает аналитически точное решение и может служить основой для дальнейших уточнений. Фотовозбуждение электрона с локального уровня в гибридно-квантованные состояния КН рассматривалось в дипольном приближении для случая продольной и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации света. Выражения для соответствующих сечений фотоионизации примесных центров получены в аналитическом виде в однозонном приближении. Проведено исследование спектральных зависимостей сечений фотоионизации при различных значениях параметров КН и примесных центров.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию примесного магнитопоглощения света продольной и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации в КТ, синтезированных в прозрачной диэлектрической матрице, с учетом дисперсии их размеров. Теоретический подход основан на исследовании энергетического спектра комплекса «КТ - О^-центр» в квантующем магнитном поле. Для описания одноэлектронных состоянии в КТ

18 использовалась параболическая модель потенциала конфайнмента. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы задача на связанные состояния в комплексе «КТ - В(->-центр» решена аналитически точно. В приближении эффективной массы в этой же главе получены аналитические выражения для коэффициентов примесного магнитопоглощения света продольной и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации с учетом дисперсии размеров КТ. При этом предполагалось, что дисперсия возникает в процессе фазового распада пересыщенного твердого раствора и удовлетворительно описывается формулой Лифшица-Слезова. Исследована спектральная зависимость коэффициентов примесного магнитопоглощения света в случае боросиликатного стекла, окрашенного кристаллитами 1п8Ь.

В третьей главе диссертации развита теория примесного эффекта фотонного увлечения (ЭФУ) в полупроводниковой КН в присутствии продольного магнитного поля, направленного вдоль оси КН. Решение задачи о примесном ЭФУ в КН основано на кинетическом уравнении Больцмана, записанном в приближении времени релаксации. Генерационный член этого уравнения определяется квантовыми фотопереходами носителей с -центра в гибридно-квантованную зону, которые рассчитываются в линейном по продольному импульсу фотона приближении. В режиме короткого замыкания в приближении сильного магнитного квантования получено аналитическое выражение для плотности тока увлечения (ТУ) при рассеянии электронов на системе короткодействующих примесей. Исследована спектральная зависимость плотности ТУ одномерных электронов при фотоионизации 0(-)-центров в продольном магнитном поле. В этой же главе обсуждается возможность использования ЭФУ одномерных электронов в продольном магнитном поле для разработки детекторов лазерного излучения.

19

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Грунин, Александр Борисович

Выводы к главе 3 »

1. Развита теория примесного ЭФУ в полупроводниковой КН в присутствии продольного магнитного поля В, направленного вдоль оси КН. ЭФУ обусловлен передачей локализованным электронам продольного импульса фотонов при оптических переходах из состояний в гибридно-квантованные состояния КН, описываемой параболическим потенциалом конфайнмента.

2. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы для случая сильного магнитного квантования получено аналитическое выражение для плотности ТУ при рассеянии электронов на системе короткодействующих примесей в продольном магнитном поле.

3. Показано, что для спектральной зависимости плотности ТУ характерен дублет Зеемана с ярко выраженным пиком типа «клюва», связанным с оптическими переходами электронов из 0()-состояний в состояния с магнитным квантовым числом га = 1.

4. Найдено, что с ростом величины В «клюв» смещается в коротковолновую область спектра, при этом высота пика заметно возрастает. Расстояние между полосой и пиком в дублете определяется циклотронной частотой, а период появления дублета - гибридной частотой.

5. Проведено обсуждение возможности использования ЭФУ одномерных электронов в продольном магнитном поле для разработки детекторов лазерного излучения. Оценка величины плотности ТУ, а также фоточувствительности структуры с КН на основе 1п8Ь показывает, что примесный ЭФУ в КН при наличии продольного магнитного поля вполне доступен для экспериментального наблюдения.

120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты и выводы

1. Проведено теоретическое исследование локальных примесных состояний в КН и в КТ с параболическим потенциалом конфайнмента в квантующем магнитном поле. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы задача на связанные состояния в Ш- и ОО-системах при наличии магнитного поля решена аналитически точно. Показано, что наличие магнитного поля приводит к ощутимому изменению положения примесных уровней и к стабилизации связанных состояний в КН. Кардинальная модификация электронных состояний в КТ, обусловленная размерным квантованием по трем пространственным направлениям, приводит к анизотропии энергии связи Б^-центра: в плоскости ху, перпендикулярной магнитному полю, имеет место гибридное квантование, а в направлении поля — размерное квантование. В результате зависимость энергии связи от полярного радиуса в КТ для примесных уровней, расположенных ниже дна КТ, аналогична соответствующей зависимости в КН. В направлении магнитного поля энергия связи примесных центров незначительно уменьшается. Установлено, что ни при каких разумных значениях параметров КТ и величины магнитного поля существование локализованных состояний выше дна КТ невозможно.

2. Развита теория примесного магнитопоглощения для случая продольной и поперечной по отношению к оси КН поляризации света. Найдено, что следствием магнитного квантования является эффект гибридизации спектров примесного магнитопоглощения. В случае продольной поляризации света сечение фотоионизации имеет немонотонную спектральную зависимость с периодом осцилляций, определяемым гибридной частотой. Положение края полосы примесного поглощения зависит от глубины залегания примесного уровня и гибридной частоты. При

121 этом в дипольном приближении возможны оптические переходы в гибридно-квантованные состояния с магнитным квантовым числом т = 0. Спектр примесного магнитопоглощения света поперечной поляризации представляет собой серию резонансных пиков, имеющих дублетную структуру. Пики, составляющие дублет, располагаются друг от друга на расстоянии, определяемом циклотронной частотой, а дублеты располагаются периодично с периодом, равным гибридной частоте. В дипольном приближении правила отбора для оптических переходов таковы, что т =±1.

3. Важной особенностью спектров примесного магнитопоглощения в КН является возможность наблюдения осцилляции, а также резонансных пиков в пределе нулевого магнитного поля, что связано с эффектом гибридизации магнитного и размерного квантования.

4. Развита теория магнитопоглощения света комплексами «КТ - В^-центр», синтезированными в прозрачной диэлектрической матрице. Рассмотрены случаи продольной и поперечной поляризации света по отношению к направлению квантующего магнитного поля. Спектральная зависимость коэффициента примесного поглощения в случае света продольной поляризации имеет осциллирующий характер. Причем период осцилляции определяется гибридной частотой в случае изменения номера уровня Ландау на единицу, а при неизменном - характерной частотой осциллятора. Для спектральной зависимости коэффициента примесного поглощения света поперечной поляризации характерен квантоворазмерный эффект Зеемана с асимметричным дублетом. Показано, что расстояние между пиками в дублете определяется циклотронной частотой. Расстояние между двумя ближайшими дублетами, когда номер уровня Ландау не изменяется, зависит от характерной частоты осциллятора. При изменении номера уровня Ландау на единицу расстояние между соседними дублетами определяется гибридной частотой.

Развита теория примесного эффекта фотонного увлечения в полупроводниковой КН в присутствии продольного магнитного поля, направленного вдоль оси КН. В режиме короткого замыкания в приближении сильного магнитного квантования получено аналитическое выражение для плотности ТУ при рассеянии электронов на системе короткодействующих примесей в продольном магнитном поле. Найдено, что для спектральной зависимости плотности ТУ характерен дублет Зеемана с ярко выраженным пиком типа «клюва». Расстояние между полосой и пиком в дублете определяется циклотронной частотой, а период появления дублета гибридной частотой. Проведена оценка величины плотности ТУ, а также фоточувствительности структуры с КН на основе InSb. Показано, что ЭФУ одномерных электронов в продольном магнитном поле вполне доступен для экспериментального наблюдения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы Кревчик В. Д., Семенов М. Б., Левашов А. В., Полосин В. Т., Зайцев Р. В., Грунин А. Б. Гипотеза квантового триггера // Материалы II между нар. конф. «Фундаментальные проблемы физики».— Саратов; Саратов, гос. ун-т, 2000.

С. 108 — 109. Грунин А. Б. Магнитооптика комплекса «квантовая точка — примесный центр» // Материалы «Второй всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике».

С.-Пб.: Изд-во «Нестор», 2000. — С. 46. Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Семенов М. Б. Магниторазмерный эффект в мезоскопических системах // Тез. докл. III международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». — Саранск: Мордов. гос. пед, ин-т., 2001. — С. 74. Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Семенов М. Б., Зайцев Р. В. Магнитооптика

123 комплексов «квантовая точка - примесный центр» // Оптика, оптоэлектрони-ка и технологии: Тр. междунар. конф. — Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2001. — С. 101.

А5. Krevchik V. D., Grunin А. В., Aringazin А. К., Semenov M. В. Quantum dimensional Zeeman effect in the magneto-optical absorption spectrum for "quantum dot - impurity center" systems // Hadronic Journal. — 2002. — v. 25.

1.— P. 23—40.

A6. Krevchik V. D., Grunin A. В., Aringazin A. K., Semenov M. B. Magnetic freezing effect for the ground state of quantum dot // Hadronic Journal. — 2002. v. 25. — № I. — p. 69 — 80.

A7. Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Семенов М. Б. Примесное поглощение света в структурах с квантовыми точками во внешнем магнитном поле // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2002. — № 5. — С. 69 — 73. А8. Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Еветифеев В. В., Семенов М. Б., Черепанова Н. К>. Физическая модель однокубитового логического элемента НЕ (NOT) на основе комплекса «квантовая точка - D^-центр» //' Оптика, оптоэлектро-ника и технологии: Тр. междунар. конф. — Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2002.

С. 34.

А9. Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Левашов А. В., Семенов М. Б. Эффект фотонного увлечения одномерных электронов в продольном магнитном поле с участием D^-центров И Оптика, оптоэлектроника и технологии: Тр. междунар. конф. —Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2002. — С. 35. А10. Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Левашов А. В., Семенов М. Б. Магнитооптика квантовых нитей с D^-центрами // Оптика, оптоэлектроника и технологии: Тр. междунар. конф. —Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2002. — С. 36. Al 1. Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Зайцев Р. В. Анизотропия магнитооптического поглощения комплексов «квантовая точка - примесный центр» // ФТП.

2002. — т. 36. — № 10. — С. 1225 — 1232.

124

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Грунин, Александр Борисович, 2002 год

1. Какушкин И. В., Тимофеев В. Б. Магнитооптика двумерных электронов в ультраквантовом пределе: несжимаемые квантовые жидкости и вигнеровский кристалл И УФН. — 1993. — т. 163. —№7. — С. 1 — 28.

2. Кулаковский В. Д., Бутов Л. В. Магнитооптика квантовых проволок и квантовых точек в полупроводниковых гетероструктурах // УФН. — 1995. — т. 165. — № 2. — С. 229 — 232.

3. Halonen V., Chakraborty T., Pietilainen P. // Phys. Rev. В. — 1992. — v. 45. — P. 5980.

4. Белявский В. И., Копаев Ю. В., Корняков Н. В. Управляемая модуляция энергии связи примесных состояний в системе квантовых ям // УФН. — 1996. — т. 166. — № 4. — С. 447 — 448.

5. Bastard G. Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures. — New York: Halsted, 1988.

6. Белявский В. И. и др. //Письма в ЖЭТФ. — 1995. — т. 61. — С. 1004.

7. Горбацевич А. А., Калаев В. В., Копаев Ю. В. // Письма в ЖЭТФ. — 1993. — т. 57.—С. 580.

8. Копаев Ю. В., Корняков Н. В. // Международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология». — С.-116., 1994.

9. Капаев В. В., Копаев Ю. В., Корняков Н. В. // Письма в ЖЭТФ. — 1993. — т. 58.—С. 901.

10. York J. T., Coalson R. D., Dahnovsky Yu. Control of electron current by double-barrier structures using pulsed laser fields // Phys. Rev. B. — 2002. — v. 65. — P. 235321-1—235321-8.11 .Dahnovsky Yu., Metiu H. H Phys. Rev. В. — 1995. — v. 51. — P. 4193.

11. Маслова H. С., Моисеев Ю. H., Панов В. И., Савинов С. В. Влияние локализованных состояний и межчастичных взаимодействий на диагностику125наноструктур методами СТМ / СТС и АСМ. // УФН. — 1995. — т. 165. — №2.—С. 236 — 238.

12. З.Синявский Э. П., Соковнич С. М. Особенности примесного поглощения света в размерно-ограниченных системах в продольном магнитном поле И ФТП. — 2000. — т. 34. — № 7. — С. 844 — 845.

13. Huant S., Najda S. P. Two-Dimensional D ~ Centers // Phys. Rev. Lett. — 1990. — v. 65. —№12. — P. 1486—1489.

14. Fujito M., Natori A., Yasunada H. //Phys. Rev. В. — 1995. — v. 51. —P. 4637.

15. Иванов Ю. Л., Агринская Н. В., Петров П. В., Устинов В. М., Цырлин Г. Э. Проявление А (+) центров в люминесценции двумерных структур // ФТП. — 2002. — т. 36. — № 8. — С. 993 — 995.

16. Леденцов H. Н., Устинов В. М, Щукин В. А., Копьев П. С., Алферов Ж. И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры (обзор) // ФТП. — 1998. — т. 32. —№ 4. — С. 385 — 410.

17. Kash К. // J. of Luminescence. —1990. — v. 46. — P. 69.

18. Merz J. L., PetrofFP. M. // Mater. Sei. and Engineer. B. — 1991. — v. 9. — P. 275.

19. Гапоненко С. В. Оптические процессы в полупроводниковых нанокристаллитах (квантовых точках) (обзор) // ФТП. — 1996. — т. 30. — № 4. — С. 577 — 619.127

20. Градпггейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. —М.: Физматгиз, 1962.

21. Bastard G. // Phys. Rev. В. — 1981. — v. 24. — P. 4714.

22. Кревчик В. Д., Евстифеев В. В. Введение в полупроводниковую наноэлектронику. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002.

23. Arakawa Y., Yariv А. // IEEE J. Quantum. Electron. — 1986. — v. 22. — P. 1887.

24. Weisbuch C., Vinter B. Quantum Semiconductor Structures. — Academic Press, INC, 1991.

25. Someya Т., Akiyama H., Sakaki H. // Phys. Rev. Lett. — 1996. — v. 76. — P. 2965.

26. Weigscheider W., Pfeiffer L. N., Dignam M. M., Pinczuk A., West K. W., McCall S. L., Hull R. // Phys. Rev. Lett. — 1993. — v. 71. — P. 4071.

27. Рытова H. С. Кулоновское взаимодействие электронов в тонкой пленке // ДАН СССР. — 1965. — т. 163.—№5. —С. 1118 — 1121.

28. Муляров Е. А., Тиходеев С. Т. // ЖЭТФ. — 1997. — т. 111. — С. 274.

29. Keldysh L. V. // Phys. Stat. Sol. (a). —1997. — v. 164. — P. 3.

30. Днепровский В. С., Жуков Е. А., Муляров Е. А., Тиходеев С. Г. И ЖЭТФ. — 1998.—т. 114.—С. 700.

31. Богомолов В. Н. // УФН. — 1978. — т. 124. — С. 171; Романов С. Г., Йатс Н. М., Пембл М. И., Аггер Д. Р., Андерсон М. В., Сотомайор Торрес К. М., Бутко В. Ю., Кумзеров Ю. А. Н ФТТ. — 1997. — т. 39. — С. 727.

32. Покутний С. И. Квантово-размерный эффект Штарка в квазинульмерных полупроводниковых структурах // ФТП. — 2000. — т. 34. — № 9. — С. 11201124.51 .Zimmermann R. // Jpn. J. Of Appl. Phys. — 1995. — v. 34. — P. 228.

33. Bethe H. A., Salpeter E. E. Quantum mechanics of one- and two-electron atoms.

34. Berlin: Springer-Verlag, 1957; Chandrasekar S. // J. Astrophys. — 1944. — v. 100.—P. 176.

35. Garstang R. H. // Rep. Prog. Phys. — 1977. — v. 40. — P. 105.128

36. Кревчик В. Д., Зайцев Р. В. Примесное поглощение света в структурах с квантовыми точками // ФТТ. — 2001 .—т. 43. —№3. —С. 504 — 507.

37. Yumoto J., Fukushima S., Kubodera К. // Opt. Lett. — 1987. — v. 12. — № 10.1. P. 832.

38. Borrelli N. F., Hall D. W., Holland H. J., Smith D. W. // J. Appl. Phys. — 1987.v. 61. — № 12. — P. 5399.

39. Weigno L., Baozhong Y., Xihuai H. // J. Non-Cryst. Sol. — 1987. — v. 95 96.1.— P. 601.

40. Persans P. D., Tu An., Wu Y., Lewis M. // J. Opt. Soc. Am. — 1989. — v. 6. — №4. —P. 818.

41. Hall D. W., Borrelli N. F. Photonic switching // Proc. 1 st Top. Meet. Incline Village, Nev. March 18-20, 1987, Berlin etc., 1988. —P. 122—124.

42. Champagnon В., Andrianasolo В., Ramos A., Gandais M. et. al. // J. Appl. Phys.1993. — v. 73. —№ 3. —P. 2775.

43. Синевич А. К., Бобкова H. M., Русак В. И. // ФХС. —1977. — т. 8. — № 6. — С. 715.

44. Бреховских С. М., Никонов Ю. П., Кейч А. И. // ФХС. — 1977. — т. 3. — №2.-—С. 172.

45. Ramsden J. J. // J. Ciyst. Growth. — 1987. — v. 82. — № 3. — P. 569.

46. Yanagawa Т., Sasaki Y., Nakano H. // Appl. Phys. Lett. — 1989. — v. 54. — №16. — P. 1495.

47. Кулиш H. P., Кунец В. П., Лисица М. П. // УФЖ. — 1990. — т. 35. — № 12.1. С. 1817.

48. Кулиш Н. Р., Кунец В. П., Лисица М. П., Малыш Н. И. // УФЖ. — 1992. — т. 37. — №8. — С. 1141.

49. Kulish N. R., Kunets V. P., Lisitsa M. P. // Opt. Eng. — 1995. — v. 34. — № 4.1. P. 1054.

50. Shum K., Tang G. C., Junnarkar M. R., Alfano R. R. // Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. — 1987. — v. 793. — P. 150.129

51. Shum К., Tang G. С., Jimnarkar M. R., Alfano R. R. // Appl. Phys. Lett. — 1987.v. 51.— №30.— P. 1839.

52. Баранов А. В., Бобович Я. С., Петров В. И. // Опт. и спектр. — 1988. —т. 65.5. — С. 1066.

53. Лифшиц И. М., Слезов В. В. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов // ЖЭТФ. — 1958. — т. 35. — Вып. 2 (8).1. С. 479 — 492.

54. Кулиш Н. Р., Кунец В. П., Лисица М. П. Определение параметров полупроводниковых квантовых точек в стеклянных матрицах из спектров поглощения, люминесценции и насыщения оптического поглощения // ФТТ.1997, —т .39. —№ 10. —-С. 1865 — 1870.

55. Данишевский А. М., Кастальский А. А., Рывкин С. М., Ярошецкий И. Д, Увлечение свободных носителей фотонами при прямых межзонных переходах в полупроводниках // ЖЭТФ. — 1970. — т. 58. — Вып. 2. — С. 544 — 550.

56. Гринберг А. А. Теория фотоэлектрического и фотомагнитного эффектов, обусловленных давлением света // ЖЭТФ. — 1970. — т. 58. — Вып. 3. — С. 989 — 995.

57. Valov Р. М, Grinberg A. A., Danishevskii А. М, Kastalskii A. A., Ryvkin S. М., Yaroshetskii I. D. // Ргос. 10th Int. Conf. Semicond., Cambridge (Mass.), 1970. — P. 683.

58. Валов П. M., Данишевский А. М., Кастальский А. А., Рывкин Б. С., Рывкин С. М., Ярошецкий И. Д. // ЖЭТФ. — 1970. — т. 59. — С. 1919.

59. Агафонов В. Г., Валов П. М., Рывкин Б. С., Ярошецкий И. Д. // ФПГ. — 1972.—т. 6.—С. 909.

60. Yee J. П. // Phys. Rev. В. — 1972. — v. 6. —P. 2279.

61. Gibson A. F., Walker A. C. // J. Phys. C. — 1971. — v. 4. — P. 209.

62. Panyakeow S., Shirafuji J., Inuishi Y. // Appl. Phys. Lett. — 1972. — v. 21. — P. 314.

63. Гринберг А. А., Маковский Л. Л. // ФТП. — 1970. — т. 4. — С. 1162.130

64. Валов П. М, Рыбкин Б. С., Рыбкин С. М., Титова Е. В., Ярошецкий И. Д. // ФШ. — 1971. — т. 5. — С. 1772.

65. Агафонов В. Г., Валов П. М., Рыбкин Б. С., Ярошецкий И. Д. // ФТП. — 1972.—т. 6.—С. 2219.

66. Валов П. М., Данишевекий А. М., Ярошецкий И. Д. // ЖЭТФ. — 1970. — т. 59. —С. 722.

67. Маковский Л. Л. // ФШ. — 1970. — т. 4. — С. 1563.

68. Гринберг А. А., Брынских Н. А., Имамов Э. 3. // ФТП. — 1971. — т. 5. — С. 11z/1.

69. Валов П. М., Рыбкин Б. С., Рыбкин С. М, Титова Е. В., Ярошецкий И. Д. // ФТП. — 1972. —т. 6. — С. 123.

70. Walker А. С., Tilley D. R. // J. Phys. С. — 1971. — v. 4. — Р. 4378.

71. Имамов Э. 3. // ФТП. —1972. — т. 6. — С. 1693.

72. Valov Р. М., Ryvkin В. S., Ryvkin S. М., Yaroshetskii I. D. // Phys. St. Sol. (b). —1972.—v. 53.—P. 65.

73. Valov Р. M., Grinberg A. A., ímamov E. Z., Makovsky L. L., Ryvkin В. S., Ryvkin S. M., Yaroshetskii I. D. // Proc. I Ith Int. Conf. on Phys. of Semieond., Warszawa, 1972.—P. 1058.

74. Umeno M., ííatíori П., Jimbo Т., Fujitani O., Miki S. // Proc. I Ith Int. Conf. on Phys. of Semieond., Warszawa, 1972. —P. 1064.

75. Имамов Э. 3., Кревчик В. Д. Теория эффекта фотонного увлечения, обусловленного импульсом фотона при двухфотонных межзонных оптических переходах с участием глубоких примесных центров // ФТП. — 1979. —т. 13. —№ 6. — С. 1194 — 1196.

76. Кревчик В. Д., Имамов Э. 3. Особенности поглощения света глубокими примесными центрами в тонких полупроводниковых слоях // ФТП. — 1983. — т. 17. — № 7. — С. 1235 — 1241.

77. Васько Ф. Т. Фотонное увлечение двумерных электронов // ФТП. — 1985. — т. 19. — № 7. — С. 760 — 762.131

78. Расулов Р. Я., Саленко Ю. Е., Эски Т. Эффект увлечения носителей тока фотонами в квантовой яме /! ФТТ. — 1998. — т. 40. — № 9. — С. 1710 — 1711.

79. Гейлер В. А., Маргулис В. А., Филина Л. И. Проводимость квантовой проволоки в продольном магнитном поле // ЖЭТФ. — 1998. — т. 113. — Вып. 4.—С. 1377 — 1396.

80. Базь А. И., Зельдович Я. Б., Переломов А. М. Рассеяние, реакции и распады в нерелятивистской квантовой механике. — М.: Наука, 1971.

81. ДемковЮ. П., Друкарев Г. Ф. // ЖЭТФ. — 1965. —т. 49. — С. 257.

82. Демков Ю. Н., Островский В. Н. Метод потенциалов нулевого радиуса в атомной физике. —Л.: Изд-во ЛГУ, 1975.

83. Агафонов В. Г., Валов П. М., Рывкин Б. С.э Ярошецкий И Д. Фотоприемники на основе эффекта увлечения светом носителей тока в полупроводниках // ФТП. —1973. — т. 7.—№ 12. —С. 2316 — 2325.