Содержание
Введение................................................................4
Глава 1 Эффект поляризации Э' - состояний в квантовой яме и квантовой точке во внешнем однородном электрическом поле.
1.1 Введение......................................................32
1.2 Дисперсионное уравнение электрона, локализованного на Э° -
центре в квантовой яме с параболическим потенциалом конфайнмента при наличии внешнего однородного электрического поля..........................................................41
1.3 Зависимость энергии связи Э' - состояния от координат Э* - центра в квантовой ямс и напряженности внешнего электрического поля
1.4 Анизотропия координатной зависимости энергии связи Э* -
состояния в квантовой точке во внешнем электрическом поле 46
Выводы к главе 1..............................................53
Глава 2. Прыжковая проводимость на переменном токе в квантвой яме с Э' - центрами
2.1 Введение.......................................................54
2.2 Расчет прыжковой проводимости по примеси в квантовой яме с
параболическим потенциальным профилем..........................58
2.3 Зависимость прыжковой проводимости от частоты внешнего переменного электрического поля и параметров удерживающего потенциала........................................................66
2.4 Физическая модель модулятора интенсивности поверхностных акустических волн на основе слоистой структуры УЫЬОз - 8ЮХ -
ГпЭЬ - БЮХ....................................................71
Выводы к главе 2..............................................75
Глава 3 Квантово - размерный эффект Штарка в спектрах примесного поглощения света в 2Б- и (Ш- полупроводниковых структурах с Б' - центрами
3.1 Введение.....................................................76
3.2 Расчет коэффициента примесного электрооптического поглощения
в полупроводниковой квантовой яме с равномерным
распределением Э' - центров по координатам..................80
3.3 Спектральная зависимость коэффициента примесного
электрооптического поглощения в полупроводниковой квантовой яме.........................................................88
3.4 Дихроизм примесного электрооптического поглощения в
квазинульмерной структуре...................................92
Выводы к главе 3...........................................101
Заключение...........................................................103
Список авторских публикаций по теме диссертации.....
Библиографический список использованной литературы
106
108
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время интенсивно исследуются оптические [1-4] и электрооптические [6-8] свойства квазинульмерных структур, состоящих из полупроводниковых нанокристаллов сферической формы - квантовых точек с радиусами а*1-102нм, выращенных в полупроводниковых (диэлектрических) матрицах. Такие исследования вызваны тем, что подобные гетерофазные системы являются новыми перспективными материалами для создания новых элементов нелинейной оптоэлектроники.
Оптические и элеюрооптичсские свойства таких квазинульмерных структур определяются энергетическим спектром пространственноограниченной электронной пары - экситона[1-8].Методами оптической спектроскопии в подобных гетерофазных структурах были обнаружены эффекты размерного квантования энергетического спектра электронов [1-2] и экситонов[3-4].
В ряду исследований подобных структур необходимым звеном является исследование физических свойств „отдельно взятого“ нанокристаллического сферического слоя. Как с чисто физической, так и с прикладной точек зрения подобный нанокристалл интересен прежде всего тем, что „синтезирует“ в себе как свойства квантованных пленок (КП), так и сферических квантовых точек (КТ), и в силу „комбинирования“ их
5
уникальных свойств может иметь применение как в „чистом“ виде, так и в качестве составной компоненты при создании многослойных сферических наногетсроструктур с требуемыми характеристиками. В этой связи определенный интерес представляет, в частности, исследование влияния внешнего электрического ноля на состояния носителей заряда в таком слое. Также квантово-размерный эффект Штарка рассмотрен в квантовых точках сферической формы [9-11]. При анализе экспериментов [9-10] выявлена зависимость величины штарковского сдвига энергетических уровней от геометрических размеров образца, обусловленная квантованием движения электронов и дырок, развита [11] теория эффекта Штарка в КТ при условиях, когда, помимо отдельного квантования движения каждого из носителей, возможно также и связывание электронно-дырочной пары в объемный экситон, и предложен новый электрооптический метод для определения критических“ размеров сферы, выше которых становится возможным образование в ней трехмерного экситона. При теоретическом рассмотрении перестройки энергетического спектра носителей заряда в квантованном сферическом слое под действием однородного электрического поля и соответствующее влияния внешнего поля на форму полосы межзонного оптического поглощения выяснилось, что наличие поля приводит также к явной зависимости от эффективных масс носителей заряда, что может быть использовано для экспериментального определения значений „оптической“ эффективной массы носителей заряда.
Также известно, что путем варьирования величины поля и геометрических размеров образца можно добиться желаемого и регулируемого изменения ряда параметров образца, что может быть
6
использовано для создания как „одинарных“ слоев, так и композиционных многослойных наногетероструктур с заданными (и регулируемыми) характеристиками [12].
Наложение электрического поля на систему квантовых точек приводит К СДВИГ}' уровней оптических переходов.
При исследовании эффекта Штарка на гстеро-структурах типа 1 (ГлАэ/СаАз) был обнаружен красный сдвиг оптических переходов в электрическом поле [17]. В гетероструктурах типа 2 электроны и дырки локализованы по разные стороны от гетсрограницы, и при достаточно большом их пространственном разделении можно также ожидать сильного проявления эффекта Штарка[17].
Структуры Ое/81 с квантовыми точками образуют гетеропереходы типа
2. При фотогенерации электронно-дырочной пары дырка локализуется в ве, в то время как электрон находится в потенциальной яме, образующейся в 81 вблизи вершины ве пирамиды. Такое возбуждение называют пространственно-непрямым экситоном. При образовании биэкситона дырки по-прежнему остаются локализованными в ве; что касаегся второго электрона, то для него энергетически более выгодной оказывается локализация под основанием ве пирамиды [13-14]. Такая геометрическая конфигурация приводит к противоположному направлению диполей в электрическом поле, направленном вдоль оси симметрии ве пирамиды (вдоль оси роста) (рис. 1а,б) [17].
Одним из методов исследования межзонных оптических переходов в системе Се/Б! с квантовыми точками, помещенной в электрическое поле, является метод фототоковой спектроскопии [17]. Для экспериментального
7
наблюдения эффекта Штарка необходимо выполнение двух условий. Размеры
а
Рис. 1. а — зонная структура гетеросистемы типа 2 Ое/8і вдоль направления роста через центр симметрии вс квантовой точки; б — схематичная зонная структура обратно смещенного р-і-п диода [17].
ианокристаллов Єє должны быть достаточно малыми, чтобы обеспечить формирование дискретного спектра электронных состояний. Второе условие заключается в необходимости пространственного разделения электрона и дырки на расстояние, обеспечивающее формирование достаточно большого дипольного момента. Выполнению этого условия соответствует метод
8
гетероэпитаксии бе на с добавлением кислорода перед осаждением ве [17]. Этот метод обеспечивает возможность формирования островков бе полусферической формы с размером основания нанокластера около 6 и высотой 3-4пт [17].
Рис. 2. Спектры фототока в зависимости от приложенного обратного смещения [17].
Электрическое поле достигало 100 kV/cm. Для малых значений электрического поля в исследуемых структурах в области 1040 meV наблюдается пик фототока симметричной формы, связанный с непрямым экситонным переходом между основным состоянием дырки в Ge и основным состоянием электрона, локализованного в Si вблизи гетерограницы Ge/Si. Электронно-дырочная пара, образующаяся при фотовозбуждении, распадается на составляющие за счет тепловых флуктуаций (измерения при
9
комнатной температуре) и вносит вклад в фототок. По мере того как величина электрического поля возрастает, ширина пика фототока увеличивается и, наконец, пик расщепляется на две составляющие. Появившиеся два пика смещаются по шкале энергий в противоположные стороны с ростом электрического поля: один из пиков демонстрирует красное смещение, другой — синее (рис. 2) [17].
Проведенные оценки пространственных разделений электронов и дырок на основе теории возмущений и полученных экспериментально данных по зависимости пиков фототока от величины электрического поля дают значения, согласующиеся с геометрической конфигурацией квантовых точек, полученной с помощью электронно-микроскопических исследований.
Возрастающий интерес к исследованию влияния эффектов электрического поля на электронные свойства полупроводниковых систем с нулевой размерностью имеет как фундаментальное, так и прикладное значение[ 18-27]. Такие системы с квантовыми точками, образованными методом самоорганизованного роста гетероэпитаксиальных напряженных слоев, как показали результаты исследований, проведенных в целом ряде лабораторий [18-27], имеют высокую степень свободы в управлении зонной структурой и электрооптическими свойствами с помощью как внешнего, так и внутреннего встроенного электрических полей. Впервые на возможность управления зонной структурой систем с квантовыми точками в условиях влияния встроенного электрического поля бистабильного диполя, образованного локализованными в квантовой точке носителями и ионизованными точечными дефектами, расположенными в ближайшей окрестности квантовой точки, обратили внимание авторы работ [18-21].
- Київ+380960830922