Введение к работе
Актуальность темы. В течение последнего десятилетия прогресс в области микроэлектронной технологии привел к уменьшению характерных размеров полупроводниковых элементов до масштаба, сравнимого с межатомным расстоянием, а количества электронов, участвующих в их работе, - до нескольких десятков и даже единиц. Поэтому внедрение технологии столь высокого уровня оказалось тесно связано с развитием квантовомеханической теории низкоразмерных электронных систем. Специфика такого рода объектов заключается прежде всего в том, что энергетический спектр системы во многом определяется размерным квантованием, связанным с ограничением движения электронов в пространстве. Кроме того, на свойства системы большое влияние оказывают кулоновское взаимодействие в многоэлектронной системе. Все эти факторы усложняют задачу моделирования таких систем и делают чрезвычайно важными экспериментальные методы их изучения.
Полупроводниковые гетероструктуры, выращенные по технологии молекулярно-пучковой эпитаксии представляют собой очень удобный объект для экспериментального исследования электронно-дырочных систем в условиях размерного квантования. При этом ведущая роль отводится оптической методике, которая позволяет с высокой точностью получить информацию об энергетических уровнях и кинетических свойствах системы, поскольку испусканием или поглощением фотона сопровождается переход системы с одного энергетического уровня на другой. Кроме того, оптические свойства наноструктур важны и с точки зрения их применения в современной электронике, которая испытывает тенденцию все большего смещения в оптический диапазон частот используемых сигналов. И здесь квантовые энергетические уровни системы становятся основой работы как полупроводниковых лазеров, так и в перспективе - квантовых компьютеров, которые смогут реализовать когерентную и бездиссипативную обработку информации [1].
В гетероструктурах GaAs/AlGaAs благодаря разнице в ширине запрещенной зоны двух полупроводниковых материалов возникает потенциальный барьер, ограничивающий движение носителей заряда в перпендикулярном к плоскости перехода направлении. В результате система становится квазидвумерной (2D-) с энергетическим спектром, состоящим из совокупности зон размерного квантования. Наличие внешнего магнитного поля перпендикулярного плоскости перехода приводит к квантованию также и движения носителей в плоскости. В результате энергетический спектр системы разбивается на дискретные уровни Ландау. Дискретность энергетического спектра в перпендикулярном магнитном поле является специфическим свойством 2Б-систем и приводит к чрезвычайно интересному макроскопическому явлению чисто квантовой природы -Целочисленному и Дробному Квантовому Эффекту Холла (КЭХ) [2]. В то же время, дискретность энергетического спектра носителей приводит к тому, что спектр поглощения и испускания света также разбивается на дискретные спектральные линии, каждая из которых соответствует строго определенному переходу между конкретными квантовыми состояниями системы. Вот почему магнитооптический метод является основным инструментом оптического исследования 20-электронных систем. В отличие от
магнитотранспортной методики, дающей информацию только о структуре состояний вблизи уровня Ферми, которые и переносят электрический ток, этот метод позволяет изучать весь энергетический спектр 20-системы.
В то время как магнитооптический метод был широко использован для исследования 20-электронных систем в режиме Целочисленного и Дробного КЭХ [3], гораздо меньше информации было получено о свойствах системы 20-электронов в параллельном магнитном поле, а также о таких специфичных для оптического метода исследования проблемах как динамика релаксации фотовозбужденных носителей и влияние кулоновского взаимодействия между фотовозбужденными электронами и дырками на энергетический спектр фотовозбужденной системы. Последний вопрос является чрезвычайно важным не только для интерпретации результатов оптических экспериментов, но и для более глубокого понимания таких фундаментальных физических явлений, как Дробный КЭХ и Вигнеровская кристаллизация [4]. Интересным объектом исследования с точки зрения изучения кулоновского взаимодействия в системах с конечным числом частиц являются многочастичные экситонные комплексы, наблюдающиеся в GaAs/AlGaAs квантовых ямах при низкой концентрации электронов. Наконец, наименее исследованным на данный момент является вопрос об энергетическом спектре дырок в низкоразмерных системах, поскольку большая эффективная масса затрудняет изучение этого вопроса стандартными оптическими методиками. Тем не менее, сложная структура валентной зоны определяет многообразие свойств экситонов в нелегированных квантовых ямах и межзонных оптических переходов в легированных системах, которые до сих пор не удавалось последовательно и полно интерпретировать.
Целью данного цикла исследований является экспериментальное изучение кинетики релаксации фотовозбужденных носителей, энергетического спектра 20-электронов в параллельном магнитном поле, энергетического спектра 2Б-дырок в перпендикулярном магнитном поле, исследование экситонных и магнитоплазменных эффектов при рекомбинации 20-электронов, а также изучение многочастичных экситонных комплексов в GaAs/AlGaAs гетероструктурах.
Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:
-
Изучена кинетика спиновой релаксации фотовозбужденных носителей в одиночном гетеропереходе GaAs/AlGaAs в различных магнитных полях. Измерено время спиновой релаксации фотовозбужденных дырок, связанных на акцепторе. Произведена оценка времени установления спинового равновесия в электронной подсистеме.
-
Исследован энергетический спектр 2Б-электронов в параллельном поле, и обнаружено существенное уменьшение энергии Ферми электронов, связанное с увеличением их массы.
-
Разработан эффективный метод самосогласованного решения одномерных уравнений Шредингера и Пуассона. Метод использован для расчета уровней энергии 2Б-дырочного газа в магнитном поле.
-
Исследован энергетический спектр 20-дырочного газа в перпендикулярном магнитном поле с помощью магнитооптического метода, основанного на изучении из-лучательной рекомбинации 2D-дырок и фотовозбужденных электронов, связанных на донорах. Обнаружена сложная структура уровней Ландау как тяжелых, так и легких дырок различных подзон размерного квантования.
-
Исследовано влияние экситониых эффектов на спектры рекомбинации 2Б-электронног газа в легированных GaAs/AlGaAs одиночных квантовых ямах. Показано, что форма линий в спектрах рекомбинации определяется не только плотностью состояний двумерных электронов, но и существованием экситониых эффектов в начальном состоянии и возбуждением циклотронных и межподзонных магнитоплазменных МОД'
в конечном состоянии фотовозбужденной системы.
-
Изучены процессы рекомбинации 2Б-электронов с возбуждением магнитоплазмона. Обнаружена магнитоплазменная реплика в спектре рекомбинации нулевого уровня Ландау. Показано, что она связана с возбуждением магниторотонов в конечном состоянии рекомбинирующей системы.
-
Исследована температурная и магнитополевая зависимость линии рекомбинации многочастичных экситониых комплексов в нелегированных GaAs/AlGaAs квантовых ямах. Показано, что она соответствует связанному состоянию комплекса, а именно экситону, связанному на нейтральной примеси в барьере, а не свободному заряженному экситону (триону), как предполагалось ранее.
Научная и практическая ценность работы определяется полученными новыми экспериментальными результатами, дающими информацию об энергетическом спектре носителей в 2В-электронно-дырочных системах, роли кулоновского взаимодействия в таких системах и природе многочастичных экситониых комплексов. Эти результаты важны не только для более глубокого понимания фундаментальных вопросов физики низкоразмерных систем, но и с точки зрения практических применений при разработке полупроводниковых лазерных и оптоэлектронных наноструктур.
Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на международной конференции "Optics of Excitons in Condensed Matter" (г.Санкт-Петербург, 1997), а также на научных семинарах в MPI-FKF (Штуттгарт, Германия) и ИФТТ РАН.
Личный вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторстве, состоял в постановке задач, разработке методик, разработке и изготовлении измерительных приборов, аппаратуры и программного обеспечения для автоматизации измерений, проведении экспериментов и интерпретации их результатов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.
Похожие диссертации на Магнитооптика квазидвумерных электронов и дырок в GaSa/AlGaSa в гетероструктурах в перпендикулярном и параллельном магнитном поле
