Взаимодействие полупроводников и систем, содержащих наночастицы, с электромагнитным полем, страница 3

"Горячие электроны в полупроводниках с сильно вырожденными дырками"(грант Министерства образования РФ, 1996 – 1997).2. "Взаимодействие ближнего оптического поля с полупроводниковымиструктурами в сканирующей ближнепольной оптической микроскопии"(грантМинистерства образования РФ, 1998 – 2000).3. "Поверхностная плазмон-поляритонная оптика наноструктур" (грантРФФИ, 2005 – 2008).Руководитель этих проектв – автор диссертации.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: 15-е Пека9ровское совещание по теории полупроводников, Донецк, 1992; NATO AdvanceStudy Institute on "Phase transition in systems with compe- ting energy scale",Geilo, Norway, 1993; 30-е Совещание по физике низких температур, Дубна,1994; IV Международная конференция "Математика.

Компьютер. Образование", Пущино, 1997; 30 International CIRP Seminar on Manufacturing Systems- LANE’97, Germany, Erlangen, 1997; International conference "Microscopy ofsemiconducting materials 2001", England, Oxford, 2001; 7th International conference on Laser and Laser - Information Technologies, Russia, Suzdal, 2001; Workshop on computational physics of transport and interfacial dynamics, Germany,Dresden, 2002; International Quantum Electronics Conference, Conference onLaser, Application and Technologies, Russia, Moscow, 2002; 1st InternationalConference on Electromagnetic Near-Field Characterization, ICONIC, France,Rouen, 2003; International Workshop on scanning probe microscopy - 2003, Russia,Nizhny Novgorod, 2003; XI International Conference on Laser Matter Interaction.Saint-Petersburg, Pushkin, Russia, 2003; 7-я Всероссийская научная конференция "Краевые задачи и математическое моделирование", Новокузнецк,2004; ICONO 2005, Novel photonics materials: physics and optical diagnostics ofnanostructures, Russia, St.

Petersburg, 2005; International Conference "Surfaceplasmon photonics 2", Austria, 2005; ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics 2006, Russia, St. Petersburg, 2006; 28 International Conference on the Physics of Semiconductors, Austria,Vienna, 2006; International Conference "Surface plasmon photonics 3", France, 2007; научные семинары в МГУ,Берлинском университете им.

Гумбольдта (Германия), Университете Ольборга (Дания), Университете Сарагосы (Испания), ИТЭФ, Ганноверском лазерном центре (Германия) и др.Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 37статей, из них 23 статьи в реферируемых российских и зарубежных журналахи 14 статей в тематических сборниках и сборниках трудов научных конференций, а также более 20 тезисов докладов. Основные результаты диссертацииопубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,шести глав, изложения основных результатов и выводов и списка цитированных источников. Общий объем диссертации составляет 340 страниц, включая91 рисунок, одну таблицу и список цитируемой литературы из 221 наименования.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы. Выделены наиболее10значительные результаты, приведены основные положения, выносимые на защиту, а также обсуждается научная и практическая значимость полученныхрезультатов.В первой главе приводится обзор литературы, отражающей современноесостояние проблем рекомбинации и ионизации в полупроводниках, микроскопии ближнего оптического поля и поверхностной плазмон-поляритоннойоптики. В §1.1 делаются вводные пояснения по организации литературногообзора.

§1.2 посвящен рассмотрению рекомбинационных процессов в полупроводниках. Описаны основные известные результаты по теории межзонныхоже-переходов носителей заряда в полупроводниках [1]. Приводится методрасчета вероятности оже-рекомбинации, основанный на использовании квантовой теории возмущений. Обсуждается расчет темпа оже-рекомбинации впороговом приближении, когда в процессе рекомбинации в основном принимают участие частицы с энергиями, близкими к пороговым значениямдля обратного процесса ударной ионизации. Описывается способ, которымможно рассчитать интегралы перекрытия в узкощелевых полупроводниках[2].

Приводятся выражения, описывающие процесс ударной ионизации. Делается обзор литературы, посвященной расчету скорости ударной ионизации в сильном электрическом поле. В §1.3 излагаются принципы, лежащиев основе микроскопии ближнего оптического поля [3], приводится историческая справка по становлению микроскопии ближнего поля и обсуждаютсяпримеры по использованию методов ближнего поля для исследования различных физических систем, включая полупроводниковые гетероструктуры сквантово-размерными свойствами. Возможность получения информации обисследуемом образце с субволновым разрешением в микроскопии ближнего оптического поля демонстрируется на примере представления произвольных волновых полей в виде углового спектра плоских волн [4]. Показано,что в общем случае моды плоских волн бывают двух видов - однородные инеоднородные.

Однородные волны распространяются в дальнюю волновуюзону и соответствуют обычному излучению, амплитуды неоднородных волнубывают экспоненциально при отходе от источника и практически не дают вклада в поля в дальней зоне. Ближнее поле определяется как областьсуществования затухающих (неоднородных) волн. Показано, что регистрация этих неоднородных волн позволяет получать субволновое разрешение.Обсуждается вопрос о получении субволнового разрешения с точки зренияпринципа неопределенности. Приводится представление Вейля [4] для сферических волн (аналог углового спектра волнового поля точечного источника). В §1.4 излагается метод интегральных уравнений для моделированияэлектромагнитных полей в ближней волновой зоне [5], обсуждаются его преимущества и недостатки, а также метод дискретных диполей для численного11решения полевых интегральных уравнений [6].

Приводится обзор применения метода интегральных уравнений для моделирования электромагнитныхполей в ближней зоне для различных физических систем. §1.5 посвящен изложению свойств поверхностных плазмон-поляритонов, показано, что ПППявляются решениями обычных волновых уравнений для системы, состоящейиз двух полупространств с различными диэлектрическими свойствами, приэтом для возникновения ППП необходимо выполнение определенных соотношений между диэлектрическими проницаемостями двух сред.

В параграфеприведен обзор современных работ по плазмон-поляритонной оптике, а также очерчен круг существующих проблем [7]. В заключительном §1.6 обсуждаются вопросы по моделированию процесса рассеяния ППП и приводитсяинтегральное представление для тензора Грина системы металл-диэлектрик,который является основным элементом теории рассеяния. Рассматриваются различные аппроксимации этого тензора и обсуждается возможность егопредставления в виде суммы нескольких слагаемых, каждое из которых соответствует возбуждению в системе электромагнитных полей определенноготипа: квазистатического поля, световых волн различной поляризации и поверхностных плазмон-поляритонов [8].Во второй главе рассмотрены оже-рекомбинация и ударная ионизацияв узкощелевых полупроводниках с кейновским законом дисперсии при условии сильного вырождения дырочной подсистемы носителей заряда, а такжеразвит метод расчета вольт-амперных характеристик в узкощелевых полупроводниках с примесной зоной делокализованных состояний.§2.1 является введением в проблематику главы.

Отмечается, что в узкощелевых полупроводниках с кейновским спектром энергетических зон в условиях сильного вырождения дырок основным каналом оже-рекомбинации является процесс с участием двух тяжелых дырок и электрона с переходомтяжелой дырки в зону легких дырок, ehl-канал. При обсуждении ударнойионизации в кейновских полупроводниках p-типа отмечается, что в условияхравновесия, когда температуры электронов и дырок равны, ударная ионизация определяется дырками, т.к.

p À n (где p и n концентрации дырок иэлектронов, соответственно). Однако когда система носителей выводится изсостояния равновесия, например электрическим полем, ситуация меняется.Дело в том, что электрические поля, которые считаются слабыми по отношению к дырочной подсистеме носителей тока (т.е.

слабо изменяют функциюраспределения), могут быть достаточно сильными по отношению к электронной подсистеме благодаря различию между эффективными массами и подвижностями электронов и дырок. При этом число электронов, способныхпроизвести ударную ионизацию, может оказаться значительно больше, чемсоответствующее число дырок, невзирая на то что общее число электронов12n ¿ p, и тогда пробой в системе будет определяться поведением электронов в зоне проводимости.

В связи с этим представляет интерес поведениеэлектронной подсистемы в электрическом поле в полупроводнике с вырожденными дырками.В §2.2 по теории возмущений рассчитывается вероятность оже-рекомбинации в канале ehl электрона с импульсом q в зоне проводимости. Расчет выполнен для случая, когда уровень Ферми дырок F расположен в валентнойзоне и выполняются соотношения F ¿ Eg и qF − q1t À q, где qF = (2mh F )1/2- импульс Ферми тяжелой дырки массой mh , q1t = (me Eg )1/2 - пороговое значение импульса тяжелой дырки для процесса ударной ионизации, которыйявляется обратным к данному оже-переходу, здесь Eg - ширина энергетической запрещенной зоны, me - масса электрона на дне зоны проводимости.В расчете использовались интегралы перекрытия в трехзонном кейновскомприближении.

Результат имеет вид wehl (q) = [3e4 q 2 Φ(qF /g)]/[2πε2h̄3 Eg ], гдеe - заряд электрона; ε - диэлектрическая постоянная; h̄ - постоянная Планка, деленная на 2π; Φ - монотонно возрастающая функция отношения qF /g,здесь g = 2q1t . Вероятность применима, когда температура дырок Th ¿ F .Далее на основе выражения для wehl рассчитываются темпы оже-рекомбинации R для электронов из зоны проводимости с квазиравновесной максвелловской функцией распределения: R = [9e4 nme Te Φ(qF /g)]/[2πε2h̄3 Eg ](n – концентрация электронов), и в случае их сильного вырождения: R =[38/3 π 1/3 e4 Φ(qF /g)n5/3 ]/[10ε2h̄Eg ]. Используя закон сохранения энергии и связьмежду статистическими факторами темпов оже-рекомбинации и обратного кней процесса ударной ионизации, рассчитывается темп ударной ионизациилегкими дырками GL при температуре Th и при условии Te ¿ Eg .

После этого на основе полученных R и GL вычисляется время жизни неравновесныхэлектронов, определяемое оже-рекомбинацией. В заключении параграфа получена оценка вероятности оже-рекомбинации в канале eeh, что позволилооценить величину концентрации электронов в зоне проводимости, при которой вероятности рекомбинации в каналах eeh и ehl сравниваются. По порядкувеличины эта концентрация равна эффективной плотности состояний в зонепроводимости при температуре, равной Eg .В §2.3 для полупроводников с кейновским спектром по теории возмущенияметодом пробной частицы рассчитывается время энергетической релаксацииэлектрона с импульсом q в зоне проводимости при рассеянии на полностьювырожденном газе тяжелых дырок для случая, когда q ¿ qF . Показано, чтодля электрона с энергией ² ≤ (me /mh )F время энергетической релаксацииуменьшается с ростом энергии электрона.

В случае ² À (me /mh )F времяэнергетической релаксации пропорционально ²3/2 , как для времени рассеянияэлектронов на заряженных примесях в модели Брукса-Херринга [9].13В §2.4 рассматривается электронная ударная ионизация в узкощелевыхполупроводниках с кейновским законом дисперсии в условиях сильного вырождения дырок. Для этого рассчитывается минимальная энергия электрона в зоне проводимости, способного ионизовать состояние на уровне Фермив валентной зоне тяжелых дырок.