Содержание к диссертации
1. Полупроводниковые объекты со сверхструктурой и нелинейные
волны 10
Введение 10
1.1 Влияние сильного электрического поля на электронные
состояния в сверхрешетке 13
-
Электропроводность СР в сильных полях 18
-
Нелинейные волны в полупроводниковых СР 24
-
Поглощение электромагнитных волн в СР 30
-
Электронные свойства полупроводниковых наноструктур 34
2. Влияние нелинейной электромагнитной волны на проводимость 2D —
газа со сверхрешеткой в квантующем электрическом
поле 43
Выводы 61
3. Поглощение нелинейных электромагнитных волн
полупроводниковой сверхрешеткой, содержащей примесные
центры 62
Ведение 62
3.1 Внутриминизонное поглощение нелинейной электромагнитной волны
в полупроводниковой сверхрешетке 62
3.2 Примесное поглощение нелинейных волн электронами
сверхрешетки 78
Выводы 85
4. Влияние магнитного поля на проводимость квантового цилиндра со
сверхрешеткой в условиях штарковской
лестницы 86
Выводы 95
Заключение 96
Литература 99
Введение к работе
Возросший в последнее время интерес к нелинейным явлениям стимулировал создание материалов, способных проявлять необычные (в том числе и нелинейные) свойства в легко достижимых экспериментально условиях. Одним из таких материалов является полупроводниковая сверхрешетка (СР), представляющая собой структуру, в которой помимо потенциала кристаллической решетки на электрон действует дополнительный, искусственно созданный потенциал с периодом, значительно превышающим период кристаллической решетки. Дополнительный потенциал приводит к дроблению энергетических зон кристалла вблизи краев, вследствие чего энергетический спектр электронов в образовавшихся минизонах становится сильно непараболичен. Это, в свою очередь приводит к тому, что сушественная нелинейность электронных свойств СР проявляется уже в полях умеренных напряженностей (~103В/см).
Современные нанотехнологии позволяют создавать системы довольно сложной геометрической формы, что стимулирует интерес теоретиков к изучению таких объектов как квантовые проволоки, кольца, цилиндры, ямы и колодцы. Особенности геометрии отражаются на спектре носителей тока, а следовательно обуславливают специфику электронных свойств подобных структур. Полупроводниковые наноструктуры нашли свое широкое применение в микроэлектронике и технике в качестве основы генераторов и усилителей электромагнитных волн, фотоприемников, фоторезисторов, оптических фазовых и интерференционных модуляторов, цифровых оптических переключателей, что делает их еще более ценными объектами для рассмотрения.
Очень важно также, что электромагнитные (ЭМ) волны, распространяющиеся в сверхструктурах, становятся сильно нелинейными уже при относительно слабых полях (на 2-3 порядка слабее, чем в обычных полупроводниковых материалах). Одним из следствий этого является возможность распространения в СР нелинейных периодических ЭМ волн. В связи с этим представляется актуальным исследовать электронные свойства наноструктур со сверхрешеткой в условиях воздействия сильных электрических, магнитных и нелинейных ЭМ полей.
Настоящая диссертация посвящена теоретическому исследованию эффектов, проявляющихся в сверхрешетках при воздействии на них сильных постоянных и переменных электрических полей. Представляется, что сформулированные в данной работе положения и рекомендации стимулируют постановку новых экспериментов, и могут лечь в основу работы новых полупроводниковых приборов.
Цель работы
Цель работы заключалась в теоретическом исследовании электрических и оптических свойств наноструктур со сверхрешеткой под влиянием сильных электрических, магнитных и нелинейных ЭМ полей.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1) Расчет вольт-амперной характеристики (В АХ) 2Э-газа со сверхструктурой в условиях воздействия нелинейных электромагнитных волн и постоянного квантующего электрического поля.
Исследование продольной проводимости квантового цилиндра со сверхструктурой в квантующих электрическом и магнитном полях
Изучение процесса внутриминизонного поглощения нелинейной электромагнитной волны в полупроводниковой сверхрешетке с учетом ионизации примесных центров,
4) Расчет коэффициентов внутриминизонного и примесного поглощения нелинейных волн в полупроводниковых СР.
Научная новизна
В данной работе впервые:
1) Исследована статическая вольт-амперная характеристика 2D-газа с одномерной сверхструктурой при воздействии на него нелинейных электромагнитных волн, поляризованных перпендикулярно оси СР, в условиях штарковского квантования.
2) Рассчитан коэффициент внутриминизонного поглощения кноидальных волн в полупроводниковой СР с учетом ионизации примесей, а также коэффициент примесного поглощения.
3) Исследована проводимость квантового цилиндра с параболическим потенциалом конфайнмента и сверхструктурой, в условиях воздействия на него сильных постоянных электрического и магнитного полей.
Положения, выносимые на защиту:
Влияние нелинейной электромагнитной волны на статическую BAX 2D-rasa со сверхрешеткой проявляется в том, что плотность тока испытывает гигантские осцилляции, не связанные с переходами носителей между штарковскими подуровнями. Эффект имеет пороговый характер: осцилляции проявляются при превышении напряженности электрического поля волны определенного значения.
Ионизация примесных центров оказывает влияние на параметры ЭМ волны, распространяющейся в СР, а следовательно, и на процесс внутриминизонного поглощения. Качественная зависимость коэффициента внутриминизонного поглощения от амплитуды кноидальной волны имеет одинаковый характер для СР с примесными центрами и без таковых. Наличие примесей продлевает область существенного поглощения в сторону более сильных полей. Данное смещение однозначно определяется концентрацией примесей в СР.
3) Эффект насыщения концентрации носителей тока в минизоне проводимости в результате поглощения кноидальных ЭМ волн обуславливает наличие резкого спада коэффициента примесного поглощения.
4) Воздействие квантующих постоянных электрических и магнитных полей на полупроводниковый наноцилиндр со сверхрешеткой приводит к проявлению штарк-гибридно-фононного резонанса, заключающегося в том, что с ростом магнитного поля плотность тока, текущего вдоль оси цилиндра, испытывает резкие скачки на фоне общего спада.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе современных, хорошо апробированных методов теоретической и математической физики: квантовомеханической теории возмущений, метода кинетического уравнения Больцмана, аппарата специальных функций (эллиптических, цилиндрических и т.д.). Полученные в диссертационном исследовании выводы не противоречат основным физическим закономерностям и для обобщающих результатов выполняется предельный переход к частным, ранее известным случаям.
Научная и практическая ценность работы
Представленные в работе новые результаты и установленные закономерности процессов поглощения нелинейных волн в сверхрешетках и проводимости различных нанообъектов со сверхструктурой в квантующих полях позволяют пополнить сведения о характерных свойствах данных полупроводниковых систем, что может быть использовано в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.
Объекты исследования работы:
1) Полупроводниковая СР с примесными центрами, подвергающаяся воздействию сильных переменных электрических полей и представляющая практический интерес для оптики (генераторы и усилители сигналов, комплектующие полупроводниковых лазеров) и микроэлектроники (создание новых элементов для микросхем).
2) Нелинейные волны, имеющие приложения в нелинейной, квантовой оптике и теории информации.
3) Полупроводниковый квантовый цилиндр со сверхрешеткой, относящийся к семейству нанообъектов, нашедших свое применение в оптоэлектронике.
Апробация работы
Результаты исследований опубликованы в журналах РАН ("Физика и техника полупроводников", "Физика твердого тела", "Оптика и спектроскопия") и докладывались на: VI и VIII Межвузовских конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 200], 2003 гг.); VIII и IX Всероссийских научных конференциях студентов -физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002г.; Красноярск, 2003г.); XIII и XIV Международных совещаниях "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 2003, 2004 гг.);
4) V Международной конференции "Оптика, олтоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2003 г.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного педагогического университета (2003, 2004 гг.); научных семинарах кафедр теоретической и общей физики ВГПУ.
Личный вклад автора
Выполнено аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: получены выражения для плотности тока в полупроводниковых объектах со сверхрешеткой (20-электронный газ, квантовый цилиндр) под действием квантующего электрического поля в сочетании с нелинейной кноидальной волной или магнитным полем; проанализированы зависимости полученных ВАХ от параметров рассматриваемых систем; рассчитаны коэффициенты внутриминизонного и примесного поглощения кноидальных ЭМ волн сверхрешеткой; проанализировано влияние процесса ионизации примесей на параметры нелинейных волн и процессы поглощения;
Автор также принимал непосредственное участие в моделировании процессов на ЭВМ, обсуждении и интерпретации результатов. Основные положения диссертационного исследования опубликованы в соавторстве с профессором Крючковым СВ. и доцентом Завьяловым Д.В.
1. Полупроводниковые объекты со сверхструктурой и нелинейные волны
Введение
Электроника, а также все сопряженные с ней отрасли науки и техники, активно развиваются в большей степени за счет миниатюризации элементов электронных схем, что в свою очередь связано с открытием новых физических эффектов и использованием новых материалов. Одним из таких материалов является полупроводниковая квантовая СР. Впервые о создании СР на основе GaAs-AlxGa].xAs с помощью эпитаксии из молекулярных пучков сообщается в [1]. Теоретические исследования СР начались задолго до их синтезирования в работах Келдыша, Есаки и Цу [2,3].
Сверхрешетки различных типов подробно рассмотрены в обзорных статьях [4-8]. Так в одном из ранних обзоров [4] обсуждаются в основном теоретические работы. Статьи [5,6] представляют широкий спектр информации о свойствах композиционных и примесных СР. Приводится классификация композиционных СР по типу энергетического спектра. Подробно обсуждаются проблемы поглощения света, времени жизни неравновесных носителей тока, проводимость, люминесценция в процессах спонтанной и вынужденной рекомбинации. Кроме того уделено внимание экспериментам с примесными СР на основе GaAs, а именно, определению коэффициента поглощения, фото- и электролюминесценции, эффекту Шубникова-де-Гааза. Методы выращивания и свойства СР с напряженными слоями рассмотрены в [7]. В [8] представлен обзор приложений уникальных свойств СР в электронике, приведены принципы действия лазерных диодов, полевых транзисторов, лавинных фотодиодов на основе полупроводниковых СР различных типов. В монографии [9] рассмотрены высокочастотные (ВЧ) свойства полупроводниковых СР. Оптические свойства и применение СР в лазерной технике приведены в [10].
Классификация СР и широкий спектр теоретических и экспериментальных исследований представлены в [11]. Работа [12] посвящена обзору вопросов энергетической структуры, оптических и акустических свойств композиционных и легированных СР. Подробно освещены вопросы межзонных переходов, процессы, происходящие внутри зоны проводимости, и явления переноса. Обзор основных экспериментов по оптическим свойствам полупроводниковых СР Г, II и III рода, образуемых, соответственно, гетеропарами GaAs/AlGaAs, InAs/GaSb и HgTe/CdTe приведен в статье [13].
В диссертации рассматриваются полупроводниковые квантовые одномерные сверхрешетки, составленные из ультратонких слоев (10-Ю3 А) различных полупроводников. Электронный спектр СР определяется решением уравнения Шредингера, содержащего как потенциал решетки, так и потенциал сверхструктуры Ayr). Решить такое уравнение в общем случае практически невозможно, однако, задача упрощается тем, что период сверхрешетки значительно превышает период решетки, а амплитуда потенциала СР много меньше амплитуды кристаллической решетки. Благодаря этому энергетические зоны проводников, существовавшие до наложения Д(г), исказятся под его влиянием лишь вблизи краев, а, следовательно, закон дисперсии носителей тока можно считать квадратичным и использовать для нахождения энергетической структуры СР приближение эффективной массы. В простейшем однозонном приближении для невырожденных изотропных энергетических зон уравнение Шредингера имеет вид - -^vV(?)+a(?M^=МЮ. (1-і) где Н- постоянная Планка, ц/{г) - волновая функция электрона, которая в силу периодичности потенциала СР имеет блоховский вид, т-эффективная масса электрона, которую будем считать одинаковой во всей
СР, пренебрегая небольшим различием по слоям [3,4,12]. Периодичность Л(г) приводит к тому, что спектр носителей имеет зонный характер и определяется номером зоны / и проекцией квазиимпульса электрона на ось СР (ОХ) рх. Получающиеся при этом зоны (минизоны) представляют собой более мелкое дробление энергетических зон вблизи их краев. Число минизон равно отношению периода сверхрешетки d к периоду кристаллической решетки а.
Энергетический спектр одномерных СР резко анизотропен. В то время как на движение носителей тока перпендикулярно оси сверхрешетки ОХ действует слабо, движение вдоль оси будет соответствовать движению в системе с периодом d s(P)^-^ + j(pA (1-2) где рхир±- параллельная и перпендикулярная оси СР составляющие квазиимпульса электрона р. При заданном р± дисперсионная кривая массивного полупроводника разбивается на минизоны Бриллюэна яДр^),
