Введение к работе
Актуальность темы.
Эффекты электронной и оптической интерференции играют огромную роль в современной физлке полупроводников. Это связано с достижениями технологии роста многослойных гетероструктур с высокого качества интерфейсами и полупроводниковых микрорезонаторов, в которых достигается размерное квантование световой волны. К интерференционным эффектам, строго говоря, можно отнести все эффекты размерного квантования электрона, связанные с его волновой природой и наличием у электрона конечной массы. Однако наиболее ярко интерференционные эффекты проявляются в периодических структурах с электронным и оптическим квантованием, таких как сверхрешетки, периодические структуры с квантовыми ямами, полупроводниковые микрорезонаторы.
Благодаря успехам технологии в 1990-е годы возникла возможность наблюдать эффекты надбарьерного отражения и надбарьерной локализации электрона в полупроводниковых сверхструктурах. Это существенно раздвинуло горизонты зонной инженерии, так как дало возможность, комбинируя два полупроводниковых материала, получать локализованные экситонные состояния с энергией, существенно превышающей ширину запрещенной зоны в каждом из компонующих материалов. Задача о теоретическом описании надбарьерных локализованных экситонных состояний до сих пор была решена лишь в нескольких наиболее простых частных случаях.
Сверхрешетки, в которых толщина барьерных слоев существенно превышает глубину проникновения электронной волновой функции в барьер, т.е. длинно-периодные структуры с квантовыми ямами, предлагают новый класс задач, связанных с взаимодействием пространственно разделенных электронных состояний. С точки зрения фундаментальной физики, экситон фотонное спаривание в квантовых ямах является эффектом взаимодействия света с веществом в двумерной системе и предлагает обширный класс квантово-электродинамических задач. С развитием технологии, в конце 80-х и особенно в 90-х годах появилось множество теоретических и экспериментальных работ, посвященных поляритонному эффекту в структурах с квантовыми ямами. Тем не менее, оставапась слабо исследованной связь экситон-поляритонного спектра в
периодической структуре с квантовими ямами с периодом структуры и параметрами экситонных состояний в отдельных ямах.
В реальных квантовых ямах экситон всегда испытывает воздействие флуктуационного потенциала, связанного с монослойными колебаниями толщины квантовой ямы, флуктуациями концентрации твердого раствора, полями примесей, дефектами и т.п. Как это отражается на оптических спектрах полупроводниковых структур вблизи экситонного резонанса и на зкситон-поляритонных состояниях? Этот вопрос исследовался теоретически в последние годы в рамках квантово-механического подхода. Отсутствовала классическая теория влияния беспорядка на оптический отклик экситона. Не было ясно, как разброс резонансной частоты экситона в квантовых ямах влияет на интерференцию экситонных состояний в периодических структурах с квантовыми ямами. Для адекватного описания оптических спектров реальных полупроводниковых структур было необходимо прояснить эти вопросы.
1990-е годы ознаменовались резким взлетом интереса к полупроводниковым мнкрорезонаторам. Микрорезонатор - это структура, состоящая из слоя полупроводникового материала толщиной в одну или несколько длин полуволн света на частоте резонансной моды, ограниченного с обеих сторон брэгговскими зеркалами. Взаимодействие двумерной фотонной моды с экситоном приводит или к резонансному возрастанию скорости радиационной рекомбинации экситона (режим слабой связи) щп: к возникновению двух экситон-поляритонных мод, расщепленных по энергии (режим сильной связи).
Несмотря на постоянно растущее число теоретических и экспериментальных работ, посвященных экситонным поляритонам в микрорезО'іаторах, до сих пор не была описана дисперсия поляритонов, сформирование объемным экситоном в полости резонатора и двумердой фотонной модой. Между тем, эта задача имеет ключевое значение для описания распространения оптических возбуждений в плоскости микрорезонатора.
Таким образом, исследованиа интерференционных эффектов в периодических структурах с электронным и оптическим ограничением принадлежит к приоритетным направлениям развития физики полупроводников в 1990-е годы. Несмотря на растущее число работ на эту тему, остается ряд
5 нерешенных фундаментальных проблем. Это определяет актуальность темы
диссертационной работы, целью которой явилось теоретичекое исследование
интерференционных эффектов в оптике и электронных спектрах периодических
структур с электронным и оптическим ограничением, включая нерегулярные
сверхрешетки, длиннопериодные структуры с квантовыми ямами и
полупроводниковые микрорезонаторы.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
Рассчитана энергия, энергия связи и сила осциллятора экситона, локализованного над барьером в полупроводниковой сверхрешетке с уширенным барьером в присутствии магнитного поля.
Исследована зависимость собственных частот экситон-поляритонных мод в периодической структуре с квантовыми ямами от периода структуры и параметров экситонных состояний в квантовых ямах.
Рассчитана дисперсия экситонных поляритонов в плоскости полупроводникового микрорезонатора, настроенного на объемный экситонный резонанс в полоти.
Построена полуклассическая' теория влияния флуктуации потенциала в плоскости квантовой ямы на оптический отклик экситонного состояния в квантовой яме, описан и предсказан ряд эффектов, связанных е влиянием беспорядка на оптические спектры структур с квантовыми ямами.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней разработана методика, позволяющая рассчитывать параметры экситонных состояний, локализованных выше барьера в полупроводниковых свёрхструктурах в прзсутств, і магнитного поля, а также построена теория влияния неоднородного уширения экситона на их оптический отклик в квантовых ямах, позволяющая адекватно описывать оптические спектры с временным раїрешением от структур с квантовыми ямами. Кроме того, метод матриц переноса расширен для решения задач о распространении объемных экситонных поляритонов в сложных многослойных структурах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции по гетероэпитаксии полупроводников (Моитпелье, Франция 1995). 23-ей Международной конференции по Физике полупроводников
6 (Берлин, Германия, 1996), 23-ем Международном симпозиуме по Физике
смешанных полупроводников (С-Петербург, 1996), 5-й Международной конференции "Оптика экситонов в ограниченных системах" (Геттинген, Германия, 1997), 3-м и 4-м Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (С-Петербург, 1996 и 1997), а также на семинарах в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе и в университетах городов Монпелье и Рим, в Швейцарской Федеральной политехнической школе г. Лозанна. Работа была удостоена Премии ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1996 г.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 5 научных статьях и материалах 5 конференций.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на Г7 страницах машинописного текста, Диссертация включает также 26 рисунков и список литературы из 98 наименований. Общий объем диссертации7/і!>страниц. Нумерация формул дана по главам. Нумерация рисунков сплошная. .
Основныг положения, выносимые на защиту:
-
Энергия связи и продольно-поперечное расщепление надбарьерного локализованного экситона в сверхрешетке с уширенным барьером на базе материалов (lnGa)As/(jiAs сравнима с энергией связи и продольно-поперечным расщеплением экситона в квантовой яме соответствующей ширины.
-
В конечной системе эквидистантных квантовых ямам большинство полярнтонных ;од обладает малым радиационным .атуханием, и лишь отдельные полчрнтонные состояния характеризуются повышенной радиационной активностью.
3. Взаимодействие локализованной оптической моды с объемным экситоном в
полупроводниковом микрорезонаторе может приводить к образованию как
продольных, так и поперечных двумерных поляритонных мод, что обусловливает
поляризационную зависимость тонкой структуры в спектрах микрорезонатора при
наклонном падении света.
4. Неоднородный и однородный механизмы уширения в полупроводниковых
структурах с квантовыми ямами можно различить по форме линии экситонного поглощения, но не по спектрам отражения.
5. В периодических структурах с квантовыми ямами интегральное поглощение
возрастает с увеличением неоднородного уширения Д и достигает насыщения,
когда Д сравнивается с радиационной шириной экситонного резонанса.
6. Неоднородное уширение в одиночной квантовой яме приводит к появлению
биений в спектрах отражения (пропускания) с временным разрешением, период
которых определяется соотношением неоднородного уширения и скорости
радиационной рекомбинации экситона.
