СОДЕРЖАНИЕ
2
ВВЕДЕНИЕ......................................................4
ГЛАВА I. ЭФФЕКТ ФОТОННОГО УВЛЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ФОТОИОНИЗАЦИИ Бн-ЦЕНТРОВ. В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КВАНТОВОЙ ПРОВОЛОКЕ С КРАЕВОЙ ДИСЛОКАЦИЕЙ............................19
1.1 Введение.................................................19
1.2 Время релаксации квазиимпульса электронов при их рассеянии на краевой дислокации в полупроводниковой квантовой проволоке с параболическим потенциалом конфайнмента................................21
1.3 Подвижность электронов в квантовой проволоке с краевой дислокацией ..........................................................34
1.4 Рассеяние электронов на краевой дислокации в полупроводниковом микросужении.....................................................39
1.5 Подвижность электронов в микросужении с краевой дислокацией. 44
1.6 Эффект фотонного увлечения одномерных электронов при фотоионизации 0(_)-центров в квантовой проволоке с краевой дислокацией 47
Выводы к главе 1.............................................63
ГЛАВА II. ЭФФЕКТ ФОТОННОГО УВЛЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ФОТОИОНИЗАЦИИ Он-ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КВАНТОВОЙ ЯМЕ С КРАЕВОЙ ДИСЛОКАЦИЕЙ..................................65
2.1 Введение.................................................65
2.2 Особенности времени релаксации квазиимпульса двумерных электронов............................................................66
2.3 Подвижность электронов в квантовой яме с краевой дислокацией.. 72
2.4 Эффект фотонного увлечения при фотоионизации Э( ^-центров в квантовой яме с краевой дислокацией..............................78
Выводы к главе II............................................94
ГЛАВА III. ЭФФЕКТ ФОТОННОГО УВЛЕЧЕНИЯ ОДНОМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ФОТОИОНИЗАЦИИ ВОДОРОДОПОДОБНЫХ ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРОВ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ С УЧЕТОМ СПИНОВЫХ СОСТОЯНИЙ...............................................95
3.1 Введение.................................................95
3.2 Волновая функция и энергетический спектр водородоподобного примесного центра с учетом спина электрона..........................96
3.3 Расчет матричного элемента оптического перехода электрона из основного состояния водородоподобного примесного центра в состояния квазинепрерывного спектра квантовой проволоки...................104
3.4 Расчет плотности тока увлечения при фотоионизации водородоподобных примесных центров в продольном магнитном поле..........107
3.5 Спектральная зависимость плотности тока увлечения при фотоионизации водородоподобных примесных центров в продольном магнитном поле. Квантоворазмерный эффект Зеемана..........................108
Выводы к главе III..........................................115
Заключение..................................................116
Библиографический список использованной литературы..........120
ВВЕДЕНИЕ
4
Наиболее исследуемыми объектами современной физики твердого тела являются структуры манометрового масштаба. Нанофизика ставит и решает новые научные проблемы, открывает перспективы создания совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. Результатом исследований низкоразмерных систем стало открытие принципиально новых явлений, таких как целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляций, а также многих других.
Развитие этой области открыло возможности конструирования средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций и последующего изготовления методами современных высоких технологий наноструктур (сверхрешетки, квантовые ямы (КЯ), квантовые точки (КТ), квантовые нити (КН), квантовые контакты, атомные кластеры и т. д.) с наперед заданным электронным спектром и свойствами, требуемыми для обнаружения и изучения новых физических явлений или для соответствующих приборных приложений.
Па основе структур с КЯ созданы высокочастотные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, полупроводниковые светодиоды от ближнего инфракрасного (ИК) до голубого света, параметрические источники света среднего ИК диапазона, фотоприемники среднего ИК диапазона, примесные фотоприемники дальнего ИК диапазона, приемники дальнего ИК диапазона на квантовом эффекте Холла, модуляторы в ближнем ИК диапазоне. КТ нашли свое применение в светодиодах ближнего ИК диапазона, фотоприемниках среднего ИК диапазона, однофотонных приемниках и генерато-
5
pax, одноэлектронных транзисторах. Структуры с туннельно-прозрачными барьерами (системы К Я и сверхрешетки) используются при создании резонансно-туннельных диодов [1], генераторов и смесителей в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах. Современные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах также основаны на использовании низкоразмерных систем (структур с КЯ, самоорганизованными КТ и КН) [1-3].
Элементная база, основанная на использовании разнообразных низкоразмерных структур, является наиболее перспективной для электронной техники новых поколений. Однако при переходе к системам нанометрового масштаба начинает отчетливо проявляться квантовомеханическая природа квазичастиц в твердом теле. В результате возникает принципиально новая ситуация, когда квантовые эффекты (размерное квантование, конфайнмент, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.) будут играть ключевую роль в физических процессах в таких объектах и в функционировании приборов на их основе.
В связи с этим значительное число теоретических и экспериментальных работ последних лет посвящается проблемам создания квантоворазмерных структур [4-8], исследованию их оптических [9-25], магнитооптических [26, 27] и транспортных [28-34] свойств. Среди них условно можно выделить направление, в рамках которого рассматриваются различные модификации эффектов фотонного увлечения (ЭФУ).
Явление фотонного увлечения свободных носителей заряда в массивных полупроводниках в оптической области спектра было впервые экспериментально обнаружено и исследовано в работах [35, 36]. В ряде последующих экспериментальных и теоретических работ изучалась эффективность передачи импульса света системе свободных носителей при прямых и непрямых внутризонных переходах [37-42], при фотоионизации примесей [43,44] и при двухфотонных переходах [45].
В [46] рассчитаны токи увлечения электронов фотонами и сдвиговый линейный фотогальванический эффект в кристаллах без центра инверсии,
6
обусловленные прямыми оптическими переходами, сопровождаемые переворотом спина электронов. Учтены вклады в ток увлечения, возникающие при учете волнового вектора фотона не только в законе сохранения энергии, но и ’ в законе сохранения импульса, а также при учете взаимодействия магнитного поля световой волны с магнитным моментом электронов. Рассчитан вклад изотропизации функции распределения фотоносителей в ток сдвигового линейного фотогальванического эффекта в полупроводниках со сложной валентной зоной и показано, что рассеяние фотоносителей на ЬО-фононах на каждой ступени каскадного процесса вносит вклад в ток.
В [47] описаны результаты экспериментальных исследований явления светоиндуцированного дрейфа электронов, поглощающих примесей и дефектов в полупроводниках АцВу1 и некоторые возможности его практического использования. Показано, что светоиндуцированный дрейф электронов приводит к очень большому изменению показателя преломления |Л/?| —0.01 и позволяет получить эффективное сканирование нано- и пикосекундных лазерных импульсов за счет нарушения полного внутреннего отражения. Светоиндуцированный дрейф поглощающих примесей вызывает увеличение их концентрации в приповерхностном слое кристаллов, что также может быть использовано в технологии полупроводников. Для технического использования предлагаются быстродействующие дефлекторы, работающие на эффекте нарушения полного внутреннего отражения, и технологическая схема очистки оптических материалов. Особенностью этих разработок является то, что они базируются на эффекте светоиндуцированного дрейфа неравновесных электронов и поглощающих примесей в полупроводниках. Явление светоиндуцированного дрейфа частиц в поле мощного лазерного излучения теоретически и экспериментально изучалось в основном в газовых смесях атомов и молекул. Вместе с тем в полупроводниках хорошо известен эффект увлечения носителей лазерными пучками, который также можно отнести к светоиндуцированному дрейфу частиц. Увлечение электронов должно приводить к росту их концентрации в области выхода лазерных пучков из образцов, а так как
7
генерация большой концентрации неравновесных электронов является основным механизмом отрицательного изменения показателя преломления полупроводников под действием мощных лазерных импульсов, то светоиндуцированный дрейф электронов должен приводить к значительному уменьшению показателя преломления и влиять на полное внутренне отражение лазерных пучков в полупроводниках.
В низкоразмерных системах эффект увлечения впервые теоретически исследовался в работе [48] при фотоионизации примесных центров в бесконечно глубокой КЯ.
Эффект увлечения дырок фотонами в бесконечно глубокой КЯ полупроводника рассматривался в работе [49], учитывались как междузонные, так и межподзонные оптические переходы, вносящие отдельные вклады в эффект. В работе [50] теоретически рассматривалось фотонное увлечение двумерных электронов при оптическом возбуждении электронов в непрерывный спектр и оптических переходах между электронными и дырочными размерноквантованными состояниями гетероструктуры.
В [51] получено выражение для тока увлечения носителей заряда монохроматической электромагнитной волной, распространяющейся вдоль слоев полупроводниковой сверхрешетки так, что вектор напряженности электрического поля волны параллелен оси сверхрешетки. При этом к сверхрешстке приложено постоянное электрическое поле, также направленное вдоль оси сверхрешетки. Отмечаются особенности в зависимости тока увлечения от напряженности постоянного электрического поля. Во-первых, данная зависимость носит немонотонный (резонансный) характер. Во-вторых, при достаточно большой напряженности постоянного электрического поля радиоэлек-трический эффект меняет знак.
Эффект увлечения носителей тока электромагнитными волнами - светоэлектрический или радиоэлектрический эффект - привлекает внимание исследователей в связи с диагностикой кинетических свойств полупроводников и в связи с возможностью использования его для детектирования мощного
8
электромагнитного излучения. Данный эффект, обусловленный передачей импульса фотона электронной подсистеме, в рамках квазиклассического подхода объясняется как результат действия силы Лоренца, возникающей при движении электрона в переменном электрическом и магнитном полях волны. В полупроводниковых сверхрешетках, характеризующихся сильной непараболичностыо энергетического спектра, радиоэлектрический эффект обладает рядом специфических особенностей.
Отдельный интерес представляет ЭФУ при фотоионизации 0(_)-центров в полупроводниковой квантовой проволоке (КП), помещенной в продольное магнитное поле [52]. Зависимость энергии связи примесного центра от величины магнитной индукции [53] позволяет надеяться на возможность создания фотоприемников с управляемой в магнитном поле чувствительностью.
На рис. 1 представлена упрощенная модель механизма возникновения тока увлечения при фотоионизации Э(_,-центров в КП, помещенной в продольное магнитное поле. Кривые Е0л1к и Е^] кщ изображают структуру
двух первых гибридно-квантованных подзон зоны проводимости КП в плоскости, параллельной направлению распространения света. Кривые 1У0 и IVч -
вероятности оптических переходов с примесного уровня с энергией Е1} < О
в гибридно-квантованную подзону (п = 1 ,т = +1) зоны проводимости КП при поглощении фотона с энергией /ко и продольной составляющей импульса \щ.. Причем кривая Ж0 соответствует выражению для вероятности в нулевом по приближении, а кривая IV - вероятности в линейном по q= приближении.
Из закона сохранения энергии при оптическом переходе следует, что энергии электронов, попавших в состояния Г и 2' одинаковы, однако, как видно из рис. 1, из-за учета продольной составляющей импульса фотона вероятность оптических переходов перестает быть симметричной относительно точки к. =0, поскольку число переходов (I -> Г) больше числа переходов (2 -> 2'). Поэтому суммарный ток электронов будет отличен от нуля.
9
Теоретический подход к изучению данного механизма ЭФУ электронов основан на проведенном исследовании энергетического спектра одномерного Э^-центра в квантующем магнитном поле [53].
1 2 Еив
Рис.1. Модель механизма возникновения тока увлечения при фотоионизации Р^-центров в КП, помещенной в продольное магнитное поле.
Трансцендентное уравнение, определяющее зависимость энергии связанного состояния £1>л (£1?й <0) от положения = (р„,фа,0 Эн-центра,
параметров КП и величины В магнитной индукции имеет вид
ч/п?в+РГ‘и' = л,- | ^ехр[- (р|П?я + »V
X
г
—-н{1 - ехр[- 2\ гг])"1 ехр
р>
2р,(] -ехр[-2и7])
х (1 + ехр[—2>^/]— (ехр[- Р, д*~2/]+ ехр[р,я *_2/])ехр[-117])]) с!/, (*)
где ц]в=\Е\ь\/Еа, Е({ - эффективная боровская энергия, р, =Е(,/(Ь©01),
й = й/(2я) - приведенная постоянная Планка, со0, = ^2(70) /(/7?*£2,) - характерная частота удерживающего потенциала КП, £/0, - амплитуда удерживающего потенциала КП, т - эффективная масса электрона в КП, - радиус КП, = ^\ + ^а*~4, а =ав1аё, ав = д/й/(т*сов) - магнитная длина, (ов =еВ/т* - циклотронная частота, £ - элементарный заряд, ^ - эффективный боровский радиус, г|2 =|£/|/£</ - параметр, характеризующий энергию связанного состояния Ех этого же примесного центра в массивном полу-
ф
проводнике, р‘ =ра1а4.
Как показывает компьютерный анализ трансцендентного уравнения (*), для И^-центра характерен эффект позиционного беспорядка [53], магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на ^"-состояния в КП, делая условия их существования менее жесткими. Возможность управления энергией ионизации примесных центров в магнитном поле открывает перспективу для изменения концентрации носителей заряда в достаточно широких пределах вследствие экспоненциальной зависимости функции распределения от энергии вблизи уровня Ферми в КП.
Как известно [53], расчет спектральной зависимости плотности тока увлечения при фотоионизации примесных центров требует рассмотрения кон-
- Київ+380960830922