Электро- и магнитооптические свойства полупроводников со сложным законом дисперсии носителей заряда Погосян, Баграт Жораевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ. Резко возросший в последнее десятилетие интерес к оптическим и электронным свойствам полупроводниковых систем с пониженной размерностью - (0D), (Ш), (2D) обусловлен двумя факторами. Первый состоит в изменении фундаментальных физических свойств полупроводников при понижении их размерности. Второй - обусловлен потенциальной возможностью использования физических свойств низкоразмерных полупроводниковых систем для создания современных приборов и устройств микро- и оптоэлектроники. Диапазон их использования в науке и технике уже сегодня достаточно широк: фотокатоды, лазеры в инфракрасной области для волоконно-оптической связи и в видимом диапазоне, оптические модуляторы, резонансно-туннельные диоды, детекторы и эмиттеры в дальней инфракрасной области и т.д..

В связи с этим продолжает расти интерес к полупроводниковым соединениям А³В⁵, с существенно непараболичным законом дисперсии носителей заряда (закон дисперсии Кейна), широко используемым для изготовления низкоразмерных структур вследствие удачной комбинации ряда таких свойств, как малые эффективные массы, резкий край оптического поглощения вследствие "прямой" зонной структуры, высокая подвнжпость электронов и т.д.

Управлять физическими характеристиками низкоразмерных структур можно с помощью таких шіешшіх воздействий, как электрическое и магнитное поля, поле лазерного излучения и т.д.. Особенно большие возможности в этой точки зрения предоставляются при использовании квантующих магнитных полей.

В связи с интересом к детекторам ИК-излучения работающим в диапазоне 3-5 мкм полупроводниковые соединения А³В⁵, в частности антимонид индия, несомненно, важны, как материалы для модулятора. С помощью таких внешних воздействий, как электрическое и магнитное поля, можно управлять величиной межзонного поглощения и, таким образом, осуществлять модуляцию в ИК-диапазоне. Следует отметить, что такие модуляторы более эффективны, чем модуляторы, работа которых основана на эффекте Франца-Келдыша. Вследствие этого представляет интерес исследование спектральных характеристик этих соединений (3D, 2D) как при прямых, так и при непрямых межзонных переходах во внешних электрическом и магнитном полях.

Прогресс физики двумерных структур с квантовыми ямами и их прикладные применения привели в 80-е годы к изучению систем, обладающих еще меньшей размерностью - квантовых проволок (КП) и квантовых точек (КТ). В отличие от квантовых ям, где носители ограничены в направлении, перпендикулярном к слоям, и могут двигаться свободно в плоскости слоя, в КП носители заряда ограничены в двух направлениях и свободно перемещаются только вдоль оси проволоки. Теоретически состояния носителей заряда в КП были рассмотрены Тавгером БА. и др., уже в 1972г.. Было предсказано возникновение квантовых размерных эффектов (КРЭ) в тонких

проволоках полупроводников и полуметаллов. Авторы впервые обратили внимание на то, что особенно существенным квантование в проволоке будет при наличии магнитного поля. Присутствие последнего приводит к эффективному уменьшению толщины проволоки.

Выдающимся достижением стало изготовление в 1982г. квантовой проволоки GaAs с поперечными размерами 200х200А². В то же самое время была теоретически исследована проблема, связанная с одним из наиболее интересных применений - лазером на КП.

К настоящему времени в данной области уже имеется значительное число как теоретических, так и экспериментальных работ. Результаты этих работ стимулировали теоретические исследования физических свойств КП. Среди них особенно актуальны задачи, связанные с кулоновским взаимодействием носителей заряда в КП. Исследование мелких примесных состояний в тонких полупроводниковых проволоках А³В⁵ позволит изучение примесного поглощения в них.

1. Теоретическое исследование межзонного поглощения света в полупроводниках с узкой запрещенной зоной (с кейновским законом дисперсии) в квантующем магнитном иоле как при прямых, так и непрямых межзонных переходах.

2. Теоретическое исследование межзонного поглощения света при непрямых межзонных переходах с фононным механизмом рассеяния в тонкой пленке полупроводниковых соединений с учетом непараболичности закона дисперсии носителей заряда в валентной зоне.

3. Теоретическое исследование межзонного поглощения света в
массивных (3D) и в размерно-квантованных (2D) полупроводниковых
соединениях со сложным законом дисперсии носителей заряда в
скрещенных электрическом и магнитном полях.

4. Исследование вариационным методом энергии связи
мелкой водородоподобной примеси в непроницаемой тонкой полупро
водниковой проволоке со сложным законом дисперсии как в
отсутствие, гак и при наличии продольного магнитного поля.

3. Определена нелинейная зависимость края межзонного поглощения от величины магнитного поля И в полупроводниках типа А⁵В⁵ и его коротковолновой сдвиг при прямых разрешенных и запрещенных переходах.

4. Впервые выявлены особенности коэффициента магнитопоглощения а"_я(ю) в полупроводниках типа А³В⁵ при непрямых разрешенных переходах, обусловленные непараболнчностыо закона дисперсии.

5. Найдены аналитические выражения для энергетического спектра и плотности состояний в массивном полупроводнике A³B^S, полученные на основе аналогии между уравнениями, описывающими состояния носителей заряда в узкощелевых

полупроводниках и релятивистским уравнением Клейна-Гордона в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Теоретически впервые обнаружена радикальная перестройка спектральных кривых при межзонном поглощении света, связанная со сдвигом центров осцилляторов в валентной зопе и в зоне проводимости, зависящим от волнового числа k_y.

4. Впервые исследованы оптические спектральные характеристики тонкой размерно-квантованпой полупроводниковой пленки при межзонном поглощении света в скрещепных электрическом и магнитном полях. Найдено аналитическое выражение, определяющее новый край поглощения в тонкой пленке, нелинейно зависящий от Е и Н.

5. Показано, что, как в отсутствие, так и при наличии магнитного поля, учет непараболичпости закона дисперсии носителей заряда приводит к существенному увеличению энергии связи водородо-подобной примеси в тонкой проволоке А³В⁵ по сравнению с аналогичной величиной в проволоке со стандартной дисперсией при осевой локализации примеси в области толщин проволоки, меньших эффективного боровского радиуса примесного электрона.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные в диссертации теоретические результаты представляют интерес в связи с широким использованием полупроводниковых соединений А³В⁵ в современной опто- и микроэлектронике, в связи с возможностью использования тонких пленок этих соединений в скрещенных электрическом II магнитном полях в качестве детекторов и модуляторов ИК-язлучения. Использование результатов, связанных с существенным увеличением энергии связи мелких примесных состояний в тонких полупроводниковых проволоках может иметь как чисто научный, так и прикладной характер в связи с перспективностью использования КП в лазерной и полупроводниковой технике.