Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к квантовым ямам (КЯ) с примесными
резонансными состояниями обусловлен перспективой создания новых
источников стимулированного излучения на примесных переходах (обзор дан в
[1]). Особый интерес представляют резонансные Гг2 -состояния, образующиеся
в результате обобществления электрона двумя нейтральными донорами, уровни энергии которых расположены между дном удерживающего потенциала КЯ и уровнем энергии её основного состояния (резонансные g- и и-состояния). Наличие обменного взаимодействия может существенно влиять на характер зависимости средней энергии связи резонансных g- и и-состояний от величины внешнего магнитного поля, а также на магнитооптические свойства многоямных квантовых структур (МКС) с Д;-центрами. Важно отметить, что
для интерпретации результатов эксперимента, связанного с изучением IT-центров в КЯ во внешнем магнитном поле [2], актуальной является задача идентификации резонансных D~2 -состояний по характеру зависимости средней
энергии связи от магнитного поля, а также по особенностям спектров примесного магнитооптического поглощения. Ценная информация о примесных резонансных состояниях в полупроводниковых наноструктурах может быть получена при изучении эффекта фотонного увлечения (ЭФУ) носителей заряда. ЭФУ обусловлен импульсом фотонов, передаваемым в процессе поглощения электронной подсистеме. Учёт импульса фотона приводит к асимметрии в распределении носителей заряда в пространстве квазиимпульса, т.е. к образованию тока увлечения (ТУ). Обладая высокой чувствительностью к модификации примесных состояний атомного и молекулярного типа [3] в условиях гибридизации размерного и магнитного квантования, ЭФУ, как нелинейный оптический эффект, может быть использован для идентификации примесей. Диссертационная работа посвящена развитию теории примесного магнитооптического поглощения в полупроводниковых МКС с резонансными D~2 -состояниями и ЭФУ в квантовой
проволоке (КП) с примесной зоной, образованной резонансными состояниями
электрона, локализованного в поле регулярной цепочки LP -центров при наличии внешнего продольного магнитного поля. Актуальность проведённых исследований определяется ценной информацией о параметрах примесных резонансных состояний и примесной зоны, а также об эффективной массе электрона в примесной зоне, которую можно получить из анализа спектров магнитооптического поглощения МКС и ЭФУ в КП.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании влияния обменного взаимодействия на примесное магнитооптическое поглощение в МКС с резонансными D~ -состояниями, а также особенностей ЭФУ электронов, связанных с наличием примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки LP -центров в КП в условиях внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования.
Задачи диссертационной работы
1. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении
эффективной массы получить дисперсионные уравнения,
описывающие резонансные g- и и-состояния !;-центра в КЯ с
параболическим потенциалом конфайнмента при наличии внешнего
продольного по отношению к оси роста КЯ магнитного поля.
Исследовать влияние внешнего магнитного поля и обменного
взаимодействия на среднюю энергию связи резонансного g-
состояния D~ -центра в КЯ. Провести сравнение зависимости средней
энергии связи резонансного ^-состояния от внешнего магнитного поля с соответствующей зависимостью для случая локализованного >~-состояния в КЯ и с экспериментальными данными по
зависимости энергии связи И -состояния от внешнего магнитного поля в GaAs/AlGaAs КЯ, легированной мелкими донорами Si.
2. В дипольном приближении получить аналитическую формулу для
коэффициента примесного магнитооптического поглощения в МКС с
резонансными Д -состояниями с учётом лоренцева уширения
энергетических уровней. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и обменного взаимодействия на спектры примесного магнитооптического поглощения.
-
В рамках обобщённого варианта модели Кронига-Пенни в модели потенциала нулевого радиуса получить дисперсионные уравнения, определяющие границы примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки If -центров в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля. Исследовать зависимость ширины примесной зоны от величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования в КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей.
-
Получить аналитическую формулу для эффективной массы электрона в примесной зоне, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки If -центров в КП. Исследовать зависимость эффективной массы от периода регулярной цепочки, параметров КП и параметров диссипативного туннелирования.
-
Получить аналитическое выражение для плотности тока фотонного увлечения при оптических переходах электронов из состояния примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки If -центров, в гибридно-квантованные состояния КП. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования на спектральную зависимость плотности ТУ для случая рассеяния электронов на системе короткодействующих примесей в КП.
Научная новизна полученных результатов
1. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной
массы получены дисперсионные уравнения электрона,
локализованного на D~ -центре с резонансными g- и и-состояниями
при наличии внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси размерного квантования КЯ с параболическим потенциалом конфайнмента. Исследована зависимость средней энергии связи резонансного ^-состояния D~ -центра от величины внешнего
магнитного поля с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. Проведено сравнение теоретических кривых с экспериментальными данными по зависимости энергии связи электрона на U -центре от величины внешнего магнитного поля в КЯ GaAs/AlGaAs с мелкими донорами Si и продемонстрировано их хорошее согласие, несмотря на то, что было использовано всего два подгоночных параметра: уширение энергетических уровней А = 4,8 мэВ, взятое из эксперимента, и среднее расстояние между LP -центрами Rn = 4 нм. Показано, что в КЯ GaAs/AlGaAs, легированных мелкими донорами Si, при определённых условиях возможно существование резонансных U2 -состояний, которые могут
давать существенный вклад в измеряемую на эксперименте зависимость энергии связи U -состояний от внешнего магнитного поля.
2. Показано, что с ростом обменного взаимодействия меняется
характер зависимости средней энергии связи резонансного g-
состояния от магнитного поля В: если расстояние между LP-
центрами Ru больше эффективного боровского радиуса ad, то
характер искомой зависимости близок к линейной, что отвечает IT -
состояниям атомного типа, при Rud средняя энергия связи
резонансного g-состояния ~у[~В, что отвечает U2 -состояниям в КЯ.
3. В дипольном приближении получена аналитическая формула для
коэффициента примесного магнитооптического поглощения в МКС с
резонансными /^-состояниями с учётом лоренцева уширения
энергетических уровней. Показано, что в спектрах примесного магнитооптического поглощения в МКС обменное взаимодействие проявляется в наличии осцилляции интерференционной природы, амплитуда которых достаточно быстро убывает с ростом среднего расстояния между нейтральными донорами.
-
В рамках обобщённого варианта модели Кронига-Пенни методом потенциала нулевого радиуса исследовано влияние внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования на ширину примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки Г? -центров в КП, туннельно-связанной с объёмным полупроводником. Получены дисперсионные уравнения, определяющие границы примесной зоны в КП с параболическим потенциалом конфайнмента. Показано, что во внешнем магнитном поле ширина примесной зоны уменьшается из-за уменьшения вероятности диссипативного туннелирования и степени перекрытия одноцентровых волновых функций электрона. Получено аналитическое выражение для эффективной массы электрона в примесной зоне КП. Показано, что с ростом периода регулярной цепочки Lf -центров эффективная масса электрона в примесной зоне стремится к эффективной массе электрона в зоне проводимости КП. Выявлена достаточно высокая чувствительность ширины примесной зоны и эффективной массы примесного электрона к таким параметрам диссипативного туннелирования, как температура, частота фононной моды, константа взаимодействия с контактной средой.
-
Теоретически исследованы особенности ЭФУ электронов, связанные с наличием примесной зоны, образованной резонансными
состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки ЕР -центров в КП в условиях внешнего продольного магнитного ПОЛЯ и диссипативного туннелирования. В приближении сильного магнитного квантования получена аналитическая формула для плотности ТУ при оптических переходах электронов из состояния примесной зоны в гибридно-квантованные состояния КП. Показано, что с уменьшением периода регулярной цепочки Lf -центров в КП порог ЭФУ сдвигается в длинноволновую область спектра из-за роста эффективной массы электрона в примесной зоне. При этом в спектральной зависимости плотности ТУ возрастает амплитуда и число осцилляции интерференционной природы. Найдено, что с ростом внешнего магнитного поля происходит подавление осцилляции из-за уменьшения ширины примесной зоны. Показано, что параметры диссипативного туннелирования оказывают существенное влияние на порог ЭФУ в КП с примесной зоной. Практическая ценность работы.
1. Развитая теория примесного магнитооптического поглощения в
МКС может быть использована для идентификации резонансных Гг2 -
состояний в КЯ GaAs/AlGaAs, легированных мелкими донорами Si.
-
Выявленный эффект магнитного вымораживания примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки LP -центров в КП, может быть использован для управления концентрацией электронов в легированных наноструктурах.
-
Развитая теория ЭФУ в КП с примесной зоной при наличии внешнего продольного магнитного поля и диссипативного туннелирования может быть использована как при разработке детекторов лазерного излучения с управляемой фоточувствительностью, так и в исследованиях энергетической зависимости времени релаксации импульса электронов в КП.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
-
В КЯ GaAs/AlGaAs, легированных мелкими донорами Si, возможно существование резонансных Д-состояний в условиях обменного взаимодействия на расстояниях не более 4 нм между нейтральными донорами.
-
С ростом обменного взаимодействия меняется характер зависимости средней энергии связи резонансного g-состояния Д-центра от магнитного поля в КЯ: если расстояние между ^ -центрами больше эффективного боровского радиуса, то характер искомой зависимости близок к линейной, что отвечает ^"-состояниям атомного типа, в противном случае характер данной зависимости является
нелинейным, что соответствует Д -состояниям.
-
В спектрах примесного магнитооптического поглощения в МКС обменное взаимодействие проявляется в наличии осцилляции интерференционной природы, амплитуда которых достаточно быстро убывает с ростом среднего расстояния между нейтральными донорами.
-
В КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей, имеет место эффект магнитного вымораживания примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки ^-центров, связанный с уменьшением вероятности диссипативного туннелирования и степени перекрытия одноцентровых волновых функций электрона.
-
Для спектральной зависимости ЭФУ при оптических переходах электрона из состояния примесной зоны в гибридно-квантованные состояния КП характерен квантово-размерный эффект Зеемана с осцилляциями интерференционной природы, амплитуда которых
зависит от периода регулярной цепочки, величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XIII Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2011 г.); на 7-й Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2012 г.); на XX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2013» (Москва, 2013 г.); на 7-й Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2013 г.); на 12-й Международной научной конференции-школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2013 г.).
Личный вклад Основные теоретические положения диссертации разработаны совместно с профессором В.Д. Кревчиком. Конкретные расчёты и анализ результатов проведены автором самостоятельно. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с А.В. Разумовым и А.Б. Груниным, которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество.
Публикации По результатам исследований, проведённых в рамках диссертационной работы, опубликовано 10 работ, из них 3 - статьи в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 124 страницы текста, включая 24 рисунка. Список цитируемой литературы включает 181 наименований.
