Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время все больший интерес проявляется к созданию оптических интегральных схем с элементами, осуществляющими различные функции: генерации света, преобразования оптических сигналов, усиления, переключения, функции приемника и волновода [1]. Так как кремневая технология на данный момент позволяет получить наиболее совершенный материал, то многие из этих элементов могут быть эффективно реализованы и интегрированы на ее основе. Одними из наиболее важных элементов являются усилители оптического сигнала. Они могут быть реализованы на основе диоксида кремния, легированного эрбием (БіОгїЕг). Причина особого интереса к Ег3+ обусловлена тем, что энергия перехода между его первым возбужденным 4Ііз/2 и основным состоянием 4Iis/2 (0.81 эВ) попадает в окно прозрачности для оптоволокна на основе SiOz [2, 3], соответствущая длина волны является стандартом в телекоммуникационных технологиях. Однако существующие в настоящее время усилители на основе БіОгіЕг все еще достаточно дороги и громоздки для интегрирования с другими элементами.
В последнее время появилось большое число исследований, посвященных изучению кристаллического кремния, легированного эрбием (Si:Er) [4]. Преимущество применения Si:Er заключается в возможности значительно увеличить эффективное сечение возбуждения ионов Ег3+ по сравнению с Si02:Er. Однако, фотолюминесценция Ег в кристаллическом Si характеризуется сильным температурным гашением и практически не наблюдается при температурах выше 200 К. Существует большой интерес к исследованиям, направленным на преодоление этого фундаментального недостатка.
Недавно начали интенсивно изучаться легированным эрбием наноструктуры Si-Si02 [5], а именно материал, состоящий из нанокристал-лов Si в кристаллической матрице Si02. В волноводах, созданных на его основе, наблюдалось эффективное усиление на длине волны 1.5 мкм [6]. Усиление является следствием эффективной передачи возбуждения от электронно-дырочных пар (экситонов), генерируемых в нанокристал-
РОС HA»l'.j«-»i:/\'r уС.Пеу.-;я"..рг
лах, к ионам эрбия [7]. Хотя к настоящему времени существует большое число экспериментальных результатов для такого материала, механизм передачи возбуждения от электронно-дырочных пар в нанокристаллах к ионам Ег3+ понят в лучшем случае на качественном уровне. Таким образом, теоретическое исследование этого процесса является актуальной задачей для совершенствования характеристик такого материала.
В связи с появлением эффективных источников терагерцового излучения появился большой интерес к его влиянию на поведение носителей заряда в кристаллических структурах (терагерцовая спектроскопия) [8]. Излучение терагерцового диапазона позволяет активировать процессы, изучение которых было ранее педоступно с помощью излучения других диапазонов. Исследование процессов возбуждения и ионизации глубоких центров терагерцовым излучением является актуальным, так это предоставляет дополнительную валеную информацию об этих центрах и их взаимодействии с окружающей средой.
Целью работы является теоретическое исследование процессов возбуждения и ионизации глубоких центров в кристаллических структурах электромагнитным полем:
-
оже-возбуждения ионов Ег3+ в кристаллическом Si при приложении терагерцового излучения;
-
оже-возбуждения ионов Ег3+ в неоднородной среде, состоящей из напокристаллов Si в SiC>2, за счет- рекомбинации экситона в нано-кристалле.
-
ионизации глубоких центров в полупроводниках терагерцовым излучением в присутствии постоянного магнитного ноля.
Научная новизна работы заключается в том, что
1. предложен новый механизм возбуждения ионов Ег3+ в кристаллическом кремнии в присутствии квазиравновесных электронов и дырок, создаваемых стационарной межзошюй накачкой, за счет поглощения терагерцового излучения, который позволяет возбуждать ионы Ег3+ неактивные только при межзошюй накачке;
2. проведен расчет вероятности соответствующего оже-процесса с ис
пользованием теории возмущений второго порядка: при этом по
глощение терагерцового излучения электроном происходит через
виртуальное состояние второй зоны проводимости кремния, а воз
буждение Ег3+ ИДЄТ ВО ВТОрое возбужденное СОСТОЯНИе 41ц/2 и
сопровождается многофононным переходом.
-
проведен микроскопический расчет процесса оже-передачи возбуждения иону Ег3+, находящемуся на границе Si нанокристал-ла или в окружающей S1O2 матрице, от электронно-дырочной пары в Si нанокристалле; выявлено, что диполь-дипольное приближение (механизм Ферстера) не может быть причиной эффективного возбуждения ионов Ег3+; проведена оценка для диполь-квадрупольного вклада, показывающая, что он может приводить к эффективной передаче возбуждения;
-
разработан метод квазиклассического рассмотрения туннельных эффектов в переменном барьере в трехмерном случае; метод применен для рассмотрения задач туннелирования электрона в переменном" электрическом поле и постоянном магнитном поле;
-
рассмотрена задача о термостимулированной туннельной ионизации глубоких центров в полупроводниках терагерцовым излучением в постоянном магнитном поле; предсказан эффект уменьшения вероятности туннелирования с ростом магнитного поля, который недавно обнаружен экспериментально;
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволили
-
найти механизм возбуждения ионов Ег3+ в кристаллическом кремнии без участия мелкого донорного уровня, что дает надежду на получение эффективной люминесценции в приборе на базе Si:Er при комнатной температуре;
-
прояснить возможные пути передачи возбуждения от экситонов в кремниевых наноточках к ионам Ег3+ в перспективном для опто-
электронных приложении материале, состоящем из нанокристал-лов Si в S1O2 и примеси Ег;
3. предсказать эффект подавления вероятности термостимуллиро-ванной туннельной ионизация глубоких центров в полупроводниках при приложении сильных магнитных полей, что послужило дополнительным подтверждением общей теории термостимулли-рованной туннельной ионизации глубоких центров в полупроводниках во внешних электрических и магнитных полях [9, 10];
Развитый метод квазиклассического расчета вероятности туныелиро-ваиия в переменном электрическом и постоянном магнитном полях может быть также применен для решения других квантомеханических задач, в которых существенно, что траектория квазиклассического движения под барьером не является прямолинейной.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Терагерцовое излучение в диапазоне частот 15-35 ТГц способно вызывать эффективное возбуледение ионов Ег3+ в кристаллическом кремнии при межзонной подсветке. Вероятность возбуждения в единицу времени линейно возрастает с мощностью излучения, характеризуется существованием порога при энергии кванта 70 мэВ и спадает с ее ростом.
-
Адиабатическое приближение позволяет получить уровни квантования электронов в сферических кремниевых точках в рамках метода эффективной массы, хорошо согласующиеся с прямым численным расчетом.
-
Для объяснения эффективного оже-возбуждения иона Ег3+, находящегося па границе налокристалла или за его пределами, при рекомбинации экситона в нанокристалле необходимо учитывать квадрупольный момент иона Ег3+.
-
Постоянное магнитное поле увеличивает время туннелировапия (время Landauer-Biittiker [13]) и уменьшает вероятность туннель-
ной ионизации электрона, локализованного в короткодействующем потенциале, переменным электрическим полем.
5. Приложение постоянного магнитного поля уменьшает вероятность термостимулированной туннельной ионизации глубоких центров в полупроводниках высокочастотным электрическим по-
t лем. Эффект воздействия магнитного поля определяется произве-
дением циклотронной частоты и характерного времени тунелиро-вания колебательной системы центра гг, которое увеличивается с
о понижением температуры, и возрастает при увеличении частоты
переменного электрического поля.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на международных конференциях: «Nanostructures: Physics And Technology» (С.-Петербург, 2002 г.), «Towards The First Silicon Laser NATO Advanced Workshop» (Тренто, Италия, 2002 г.), на Международной Конференции по Инфракрасным и Миллиметровым Волнам (IRMMW, Отсу, Япония, 2003 г.), на всероссийском совещании «Нанофотоника» (Нижний Новгород, 2002, 2003 гг.), а также на семинарах группы теории полупроводников Университета Марбурга (Германия, 2002 г.) и группы оптоэлек-тропных материалов в институте Ван-дер-Ваальса-Зеемана Университета Амстердама (2004 г.), на семинаре сектора теории электрических и оптических явлений в полупроводниках ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (2003 г.).
Исследования в данном направлении были поддержаны Российским
Фондом Фундаментальных Исследований (грант РФФИ № 98-02-18268),
грантом президента для поддержки Ведущих Научных Школ НГД-
2192.2003.2, грантом INTAS 03-51-64-86, грантом NWO 047.009.013 и
» NATO Linkage Grants.
По результатам исследований, составляющих содержание диссерта
ции, опубликовано 8 научных работ, список которых приведен в конце
ь автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, 3 приложений и списка литературы. Объем диссер-
тации составляет 105 страниц, включая 29 рисунков. Список литературы содержит 118 наименований.
Похожие диссертации на Теоретическое исследование возбуждения и ионизации глубоких центров в кристаллических структурах электромагнитным полем
