Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы резко возрос интерес к оптическим свойствам наноструктур, содержащих - центры [1, 2]. Этот интерес обусловлен более широкими возможностями изменения энергии связи - центров по сравнению, например, с - центрами. Так, если энергия связи - состояния зависит в основном от положения примесного центра и характерных размеров наноструктуры, то в случае - центров имеется ряд дополнительных факторов влияющих на энергию связи, - это уменьшение эффективной массы дырок на дне первой подзоны, вследствие расщепления подзон легких и тяжелых дырок из–за эффектов размерного квантования. В случае напряженных структур на спектр мелких акцепторов влияет “встроенная” деформация, приводящая к дополнительному расщеплению подзон и уменьшению эффективной массы дырок [3]. В настоящее время с помощью техники двойного селективного легирования возможно получение двумерных структур, содержащих значительные концентрации стационарных - центров [2]. При этом сохраняется вероятность присутствия некоторого количества - центров [1], с которыми могут эффективно взаимодействовать неравновесные электроны и дырки с образованием комплексов и . В результате появляется еще одна возможность для модуляции энергии связи - состояния за счет варьирования параметров адиабатического электронного потенциала, который, как было показано Ал. Л. Эфросом с сотрудниками [4], определяет энергетический спектр дырок в полупроводниковых наноструктурах с эффективными массами электронов и дырок , удовлетворяющих условию . Следует отметить, что в квантовых точках (КТ) из-за размерного ограничения по всем трем пространственным направлениям, условия образования акцепторных молекулярных состояний более благоприятны в сравнении со случаем двумерных структур, где для этого требуются достаточно высокие концентрации - центров [2]. Энергетический спектр примесных молекул и отличается от спектра изолированного - центра, что может приводить к целому ряду интересных особенностей в спектрах примесного поглощения света. С прикладной точки зрения, оптические эффекты, связанные с изменением энергии связи примесных комплексов и в условиях адиабатического потенциала электрона, привлекают возможностью создания фотоприемников дальнего инфракрасного диапазона длин волн с управляемой чувствительностью.
Диссертационная работа посвящена развитию теории примесного оптического поглощения света в полупроводниковых квазинульмерных структурах содержащих - и - центры на основе метода потенциала нулевого радиуса в рамках модели потенциала конфайнмента в виде сферически симметричной потенциальной ямы с бесконечно высокими стенками, а также влиянию фактора пространственного расположения - центров на энергетический спектр молекулярного иона и спектры примесного поглощения света. Кроме того, в рамках адиабатического приближения исследовано влияние кулоновского взаимодействия электрон – дырочной пары на энергетический спектр и оптические свойства КТ, содержащих комплексы и . Актуальность проведенных исследований определяется ценной информацией, которую можно получить из спектров примесного поглощения о параметрах акцепторных центров и энергетическом спектре дырок в квазинульмерных структурах.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом изучении особенностей примесного поглощения света в квазинульмерных структурах, связанных с пространственной конфигурацией молекулярного иона в объеме КТ, а также с влиянием кулоновского потенциала электрон - дырочного взаимодействия на энергетический спектр комплексов и .
Задачи диссертационной работы
-
В рамках модели потенциала нулевого радиуса получить аналитическое решение задачи о связанных состояниях дырки, локализованной на - и - центрах в КТ с потенциалом конфайнмента в виде сферически симметричной потенциальной ямы c бесконечно высокими стенками.
-
Теоретически исследовать зависимость примесного поглощения в квазинульмерной структуре с - центрами от взаимного расположения - центров в объеме КТ.
-
Методом потенциала нулевого радиуса в адиабатическом приближении получить аналитическое решение задачи о связанных состояниях дырки, локализованной на - и - центрах соответственно, с учетом кулоновского взаимодействия в комплексах и в КТ, описываемой в рамках модели “жесткой” стенки.
-
Теоретически исследовать примесное поглощение света в квазинульмерной структуре с комплексами при переходе дырки, локализованной на - центре, в состояния дискретного спектра адиабатического потенциала электрона.
-
Теоретически исследовать фотодиэлектрический эффект, связанный с фотовозбуждением комплексов в квазинульмерной структуре.
Научная новизна полученных результатов
-
В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы аналитически получены дисперсионные уравнения для дырки, локализованной соответственно на - и - центрах в сферически симметричной КТ. Показано, что величина расщепления g - и u - термов определяется взаимным расположением - центров в КТ и зависит только от азимутального угла, определяющего положение - центров в объеме КТ.
-
В дипольном приближении, с учетом дисперсии радиуса КТ, проведен расчет примесного оптического поглощения в случае линейной и круговой поляризаций света в квазинульмерной структуре с произвольно расположенными - центрами. Показано, что наибольшей силе осциллятора дипольного оптического перехода отвечает переход дырки в p - состояние с магнитным квантовым числом - в случае линейной поляризации света и - в случае круговой поляризации. Найдено, что следствием усреднения по координатам - центров является длинноволновый “хвост” в спектральной зависимости коэффициента поглощения, при этом основной вклад в величину поглощения дает примесь, расположенная в центре КТ.
-
В дипольном приближении, с учетом дисперсии радиуса КТ, проведен расчет примесного оптического поглощения в случае линейной и круговой поляризаций света в квазинульмерной структуре с произвольно расположенными - центрами. Показано, что величина коэффициента поглощения существенно зависит от расстояния между - центрами.
-
В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы аналитически получены дисперсионные уравнения для дырки, локализованной на - и - центрах с учетом кулоновского взаимодействия между дыркой и электроном в комплексах и соответственно. Показано, что изменение квантового числа электрона сопровождается существенным ростом энергии связи дырки. Найдено, что особенность энергетического спектра дырки в адиабатическом потенциале электрона приводит к сдвигу края полосы примесного поглощения в коротковолновую область спектра с ростом величины среднего радиуса КТ
-
Исследован фотодиэлектрический эффект в полупроводниковых структурах, содержащих КТ с комплексами . В случае относительно небольших изменений диэлектрической проницаемости в рамках дипольного приближения получено аналитическое выражение для спектральной зависимости изменения диэлектрической проницаемости и проанализирована зависимость этой величины от энергии связи - центра и радиуса КТ. Показано, что изменение диэлектрической проницаемости наиболее существенно в случае круговой поляризации света и достаточно сильно зависит от размера КТ и мощности потенциала нулевого радиуса.
Практическая ценность работы
-
Развитую теорию примесного поглощения света в квазинульмерных структурах с - и - центрами предполагается использовать при разработке детекторов инфракрасного излучения в субмиллиметровом диапазоне.
-
Результаты теоретического исследования примесного поглощения света в КТ с примесными комплексами и предполагается использовать при создании ИК - фотоприемников с управляемой чувствительностью.
-
Развитая теория фотодиэлектрического эффекта в квазинульмерных структурах, содержащих комплексы , может составить основу метода спектроскопических исследований примесей в полупроводниковых наноструктурах, а также бесконтактного метода регистрации инфракрасного излучения.
