Введение к работе
. Актуальность темы. Проблема управления энергией связи примесных состояний является традиционной для физики полупроводников. В связи с развитием нанотехнологии эта проблема приобрела особый интерес вследствие новой физической ситуации, связанной с эффектом размерного квантования [1, 2]. Действительно, как показывают эксперименты [3, 4], энергия связи примесных состояний существенно зависит от характерного размера наноструктуры и параметров ограничивающего потенциала. С другой стороны, наличие внешнего магнитного поля В, как известно [5], приводит к усилению латерального геометрического конфайнмента наноструктуры. Поэтому варьируя В, можно изменять эффективный геометрический размер системы и, следовательно, изменять энергию связи примесных состояний. Наложение размерного и магнитного квантования приводит к эффекту гибридизации спектра примесного магнитооптического поглощения, который несет ценную информацию о зависимости энергии связи локализованного носителя от магнитного поля, параметров наноструктуры и типа дефекта, что, в принципе, позволяет производить идентификацию примесей [6, 8].
Магнитное поле может стабилизировать связанные состояния не только атомного, но и молекулярного типа [9]. В случае примесей молекулярного типа в полупроводниковых наноструктурах появляются новые возможности для управления термами молекулярных состояний, где важную роль начинают играть расстояние между примесными атомами и пространственная конфигурация примесной молекулы в объёме наноструктуры.
Следует отметить, что интегрирование атомных и молекулярных свойств в полупроводниковых наноструктурах дает новый импульс для развития молекулярной электроники на базе отработанной технологии получения наноструктур. В настоящее время тенденции развития прецизионной полупроводниковой на-ноэлектроники таковы, что возникает необходимость учитывать влияние особенностей геометрической формы наностуктур на электронный энергетический спектр. Высокая чувствительность энергии связи носителя на примеси к энергетическому спектру наноструктуры открывает определенные возможности для исследования эволюции энергии связи с изменением геометрической формы наноструктуры.
С точки зрения приборных приложений, магнитооптические эффекты, связанные с изменением энергии связи примесных состояний атомного и молекулярного типа, привлекают возможностью создания квантовых приборов с управляемыми характеристиками: кубиты на основе эффекта передислокации электронной волновой функции в молекулярной системе, фотоприёмники с управляемой чувствительностью в области примесного поглощения света, детекторы лазерного излучения, модуляторы интенсивности света и др. В этой связи изучение магнитооптических эффектов в полупроводниковых наноструктурах с примесями атомного и молекулярного типа актуально и является одним из приоритетных направлений полупроводниковой наноэлектроники.
Цель и задачи работы. Цель работы заключается в теоретическом исследовании магнитооптических эффектов в полупроводниковых 2D -, Ш -, и 0D —
структурах, связанных с гибридизацией размерного и магнитного квантования, с магнитным вымораживанием примесей атомного и молекулярного типа, с дихроизмом поглощения, с пространственной конфигурацией примесных молекул в объёме наноструктуры, с пространственной анизотропией энергии связи примесных состояний, с влиянием геометрической, формы наноструктуры на энергию связи примесных состояний.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
в рамках единого теоретического подхода, основанного на методе потенциала нулевого радиуса, получить аналитическое решение уравнения Липпмана - Швингера на связанные состояния электрона, локализованного на D0- центре соответственно в квантовой яме (КЯ), квантовой проволоке (КП), микросужении (МС) и в квантовой точке (КТ) с параболическим потенциалом конфайнмента при наличие внешнего магнитного поля;
теоретически исследовать зависимость энергии связи D^- состояния в КЯ, КП и КТ от величины магнитного поля, координат примесного центра и параметров ограничивающего потенциала;
исследовать эволюцию энергии связи D^- состояния с изменением эффективной длины МС;
исследовать анизотропию энергии связи >(_)- состояния, связанную с гибридизацией размерного и магнитного квантования;
теоретически исследовать дихроизм магнитооптического поглощения в полупроводниковых многоямных квантовых структурах с )'"'- центрами;
исследовать фактор геометрической формы в спектрах примесного магнитооптического поглощения микросужения с >(_)- центрами;
- теоретически исследовать эффект фотонного увлечения одномерных
электронов при фотоионизации D^- центров в продольном магнитном по
ле;
теоретически исследовать дихроизм примесного магнитооптического поглощения в структурах с квантовыми точками с учетом дисперсии их размера;
в рамках модели потенциала нулевого радиуса получить аналитическое решение задачи о связанных состояниях электрона в поле двух D"-центров (двухцентровая задача) в КЯ и КП соответственно при наличии внешнего магнитного поля;
исследовать зависимость g- и м- термов от величины внешнего магнитного поля и пространственной конфигурации jD^1 - центра в КЯ и КП соответственно;
теоретически исследовать особенности магнитооптического поглощения в полупроводниковых многоямных структурах, связанные с дихроизмом поглощения и с пространственной конфигурацией ^~' - центра в КЯ;
исследовать интерференционные эффекты в спектрах магнитооптического поглощения квазиодномерных структур с ><"> - центрами;
- теоретически исследовать эффект передислокации электронной волновой функции в D^ - системе в КТ во внешнем электрическом поле. Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые в рамках единого теоретического подхода, основанного на методе потенциала нулевого радиуса, проведено исследование эффекта магнитного вымораживания >(_)- и D^ - состояний в 2D -, \D -, и 0D — структурах с параболическим потенциалом конфайнмента. Важным достоинством такого подхода является то, что он позволяет получить аналитическое решение для волновой функции локализованного носителя, а также проанализировать дисперсионные уравнения, определяющие энергию связи >'"'- и >|_)- состояний.
-
Показано, что в магнитном поле вследствие гибридного квантования энергия связи D^- состояния в КЯ, КП и КТ может в несколько раз превышать своё объёмное значение, что в случае КЯ согласуется с экспериментальными данными по зависимости энергии связи >'"*- состояния от величины магнитного поля в GaAs/AlGaAs КЯ. Найдено, что уменьшение эффективной длины МС вызывает углубление основного состояния >'"*- центра в плоскости сечения узкого горла за счет роста соответствующих потенциальных барьеров вдоль оси МС.
-
Рассчитаны спектры примесного магнитооптического поглощения в 2D-,
ID- и 0>-структурах с D^-центрами. Показано, что в данных структурах имеет место дихроизм поглощения, связанный с изменением правил отбора при оптических переходах электрона из основного состояния D^- центра в гибридно — квантованные состояния наноструктуры. Найдено, что зависимость энергии связи D^- состояния от величины магнитного поля проявляется в соответствующей зависимости края полосы примесного поглощения. В случае МС край полосы примесного поглощения существенно зависит от эффективной длины сужения.
-
Исследована зависимость g- и и- термов >'"' - состояния в КЯ, КП и МС от величины внешнего магнитного поля и параметров ограничивающего потенциала. Показано, что магнитное поле приводит к значительному изменению положения термов и стабилизации D^>- состояний. Установлено, что эффективная длина МС существенно влияет как на величину расщепления между термами, так и на размер области, где возможно существование D^ -состояний. Выявлено существенное влияние ориентации оси >'"' - центра на энергию связи D^ - состояния.
-
Рассчитаны спектры примесного магнитооптического поглощения в2А-и
ID — структурах с >'"'- центрами. Показано, что величина коэффициента поглощения и форма его спектральной зависимости существенно зависят от ориентации оси D^- центра относительно направления внешнего магнитного поля.
6. Показано, что спектр примесного магнитооптического поглощения КП с
ZJj'"1- центром содержит осцилляции интерференционной природы. Установлено, что период осцилляции в случае продольной поляризации света линейно растет с уменьшением расстояния между D- центрами RI2 и слабо зависит от величины магнитного поля, а в случае поперечной по отношению к направлению внешнего магнитного поля поляризации света - экспоненциально растет с уменьшением RS2.
7. Теоретически исследован эффект передислокации электронной волновой
функции в >"'- системе в КТ во внешнем электрическом поле. Показано,
что зависимость относительной электронной плотности от напряженности
внешнего электрического поля имеет параболический характер и сущест
венно зависит от расстояния между D" - центрами.
Практическая значимость результатов работы состоит в следующем: Результаты теоретических исследований являются основой для разработки фотоприёмников с управляемой чувствительностью в области примесного поглощения света, детекторов лазерного излучения, модуляторов интенсивности света, кубитов.
Перечислим конкретные практически важные результаты:
-
Исследованный эффект магнитного вымораживания D^- состояний в 2D-, ID- и 0D- структурах может быть использован для управления концентрацией электронов в данных структурах в достаточно широких пределах, что позволит использовать последние в качестве электронных резервуаров в полупроводниковых приборах с квантовыми контактами.
-
Исследованный дихроизм примесного магнитооптического поглощения в 2D-, ID- , и 0D- структурах с д'"'- центрами может составить основу для разработки модуляторов интенсивности света с управляемой глубиной и эффективностью модуляции.
-
Исследованный эффект гибридизации спектров примесного магнитооптического поглощения может быть использован для изучения зонной структуры и идентификации примесей в полупроводниковых системах пониженной размерности.
-
Развитая теория эффекта фотонного увлечения при фотоионизации D^-центров в ID - структурах позволит исследовать энергетическую зависимость времени релаксации импульса электронов и тем самым идентифицировать механизмы рассеяния в полупроводниковой КП.
-
Исследованный дихроизм примесного магнитооптического поглощения в 2D - и ID — структурах с D^- центрами позволяет выявить ориентацию оси D^- центра относительно направления внешнего магнитного поля, что важно для изучения транспортных свойств данных структур.
-
Развитая теория эффекта передислокации электронной волновой функции в D[~)- системе в КТ во внешнем электрическом поле может быть использована для разработки кубита, в котором булевым состояниям 0 и
1 соответствуют двух- и одноцентровая волновые функции связанного электрона.
Положения, выносимые на защиту.
-
В полупроводниковых 2D-, ID- и 0D- структурах с >(-)- центрами во внешнем магнитном поле имеет место эффект магнитного вымораживания >н- состояний, который обусловлен усилением латерального геометрического конфайнмента наноструктур в условиях гибридного квантования.
-
Эффект гибридизации размерного и магнитного квантования в 2D-, 1D-, и 0D- структурах приводит к пространственной анизотропии энергии связи >*"'- состояния. При этом особенность геометрической формы микросужения проявляется в существенной зависимости энергии связи >*"'- состояния от эффективной длины сужения.
-
Дихроизм примесного магнитооптического поглощения в 2D-, ID- , и 0>- структурах связан с изменением правил отбора при оптическом переходе электрона из D^- состояния в гибридно-квантованные состояния наноструктуры.
-
Магнитное поле приводит к стабилизации примесных состояний молекулярного типа в 2D-, ID- , и 0D- структурах. При этом энергия связи D^- состояний существенно зависит от ориентации оси D^- центра относительно направления внешнего магнитного поля.
-
Изменение ориентации оси >'"'- центра по отношению к направлению внешнего магнитного поля оказывает существенное влияние на величину примесного магнитооптического поглощения и форму спектральной кривой в 2D- структурах, что обусловлено соответствующим изменением энергии связи D^ - состояния и правил отбора при оптическом переходе электрона из состояния g- терма в гибридно-квантованные состояния наноструктуры.
-
Электрическое поле, приложенное вдоль оси />3("' - центра в КТ приводит к смещению центра тяжести электронного облака. При этом смещение происходит как по энергии (квантово-размерный эффект Штарка), так и по координате — эффект передислокации электронной волновой функции.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на II международной конференции (Саратов, 2000); «Второй всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто-и наноэлектронике» (С. — Петербург, 2000); международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2001, 2002, 2003); . III международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2001); на межрегиональной научной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2002, 2004, 2005).
Личный вклад. Основные результаты диссертации получены лично автором. Ряд результатов получен при творческом участии Марко А. А., Евсти-феева Вас. В. при научном консультировании В. Д. Кревчика. При этом диссертанту принадлежит постановка задач, разработка физической и математической модели, выбор методов их решения и получение ключевых результатов.
Публикации. В ходе выполнения исследований по теме диссертации опубликовано 30 научных работ, из которых 1 монография, 23 статьи в центральных отечественных и зарубежных журналах и 6 трудов всероссийских и международных научно - технических конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитированной литературы, включающего 173 наименования. Объём работы: 317 страниц основного машинописного текста, 70 рисунков, 1 таблица.
