Диссертация (1149651)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиУДК 538.958Капитонов Юрий ВладимировичПространственная модуляция экситоннойвосприимчивости квантовых ям InGaAs/GaAsсфокусированными ионными пучкамиСпециальность: 01.04.07 — Физика конденсированного состоянияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЧижов Юрий ВладимировичСанкт-Петербург20162ОглавлениеВведение51 Обзор литературы и постановка задачи161.1 Оптические свойства квантовых ям . . . .
. . . . . . . . . . . . .161.2 Взаимодействие ионных пучков с веществом . . . . . . . . . . . .201.3 Ионно-индуцированное перемешивание квантовых ям . . . . . . .231.4 Латеральное квантование квантовых ям . . . . . . . . . . . . . . .281.5 Выводы и задачи работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332 Рассеяние света на пространственно модулированной квантовой яме362.1 Постановка задачи . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .362.2 Восприимчивость квантовой ямы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382.3 Приближение однократного рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . .412.4 Точное решение уравнений Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . .452.5 Экситонное зеркало . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .502.5.1Геометрия Брюстера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512.5.2Компенсация дисперсии коэффициента отражения . . . . .522.5.3Экспериментальное наблюдение компенсации дисперсии2.5.4коэффициента отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.55Резонансная прозрачность . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5632.6 Экситонная дифракционная решетка . . . . . . . . . . . . . . . .582.7 Сравнение приближений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .612.7.1Однократное рассеяние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .612.7.2Разложение точного решения уравнения Максвелла . . . .622.8 Максимальная дифракционная эффективность . .
. . . . . . . . .652.9 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .693 Взаимодействие ионных пучков с квантовыми ямами713.1 Сфокусированные пучки ионов Ga+ . . . . . . . . . . . . . . . . .713.2 Сфокусированные пучки ионов He+ . . . . . .
. . . . . . . . . . .743.3 Моделирование взаимодействия пучка ионов с кристаллом . . . .753.3.1Моделирование для ионов He+ . . . . . . . . . . . . . . . .783.3.2Моделирование для ионов Ga+ . . . . . . . . . . . . . . . .833.4 Оптические свойства однородно облученных ионами квантовых ям 853.4.1Схема оптического эксперимента .
. . . . . . . . . . . . . .853.4.2Облучение ионами Ga+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .873.4.3Облучение ионами He+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .923.5 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .964 Модификация квантовых ям после эпитаксиального роста4.1 Разрешение пространственной модуляции . . .
. . . . . . . . . . .98984.2 Изготовление образца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.3 Оптические измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.4 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065 Рост квантовых ям на модифицированных подложках1075.1 Облучение подложки GaAs ионами Ga+ . .
. . . . . . . . . . . . . 1075.2 Изготовление образца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10945.3 Оптические измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.4 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Заключение1215ВведениеНастоящая работа посвящена исследованию возможностей модификацииэпитаксиальных наноструктур A3B5, а именно, одиночных квантовых ямInGaAs/GaAs, с помощью сфокусированных пучков ионов Ga+ и He+ . Предлагаемые в работе методы модуляции резонансных оптических свойств такихструктур путем облучения сфокусированными пучками ионов до или после эпитаксиального роста позволяют создавать новые объекты, совмещающие в себесвойства экситонного резонанса в квантовой яме со свойствами дифракционныхоптических элементов.В работе проведено моделирование процессов рассеяния пучка ионов вGaAs и радиационного дефектообразования методом Монте-Карло.
Построено теоретическое описание рассеяния света на квантовой яме с пространственно модулированными резонансными экситонными свойствами. Изготовлены образцы с квантовыми ямами, облученные ионами до или после эпитаксиальногороста. Для изучения оптических свойств модифицированных образцов с квантовыми ямами использовалась спектроскопия отражения и дифракции в геометрии Брюстера. В работе были продемонстрированы простейшие резонансныедифракционные оптические элементы — ”экситонные дифракционные решетки”.Актуальность темы исследования и степень ееразработанностиДостигнутая производительность электронных вычислительных устройствблизка к своему принципиальному пределу, обусловленному проблемами ”связей” (недопустимость пространственного пересечения гальванических каналов6связи) и ”теплоотвода” (необходимость диссипации энергии, выделяемой при логических переключениях и при распространении сигналов по гальваническимсвязям, в материале процессора) [1]. Дальнейшее увеличение вычислительноймощности возможно при переходе к чисто оптическим вычислениям, использующим способность фотонов переносить информацию в свободном пространствебез перекрестных помех в большом числе параллельных широкополосных каналов [2].Одними из наиболее реальных кандидатов на роль базовых структур дляфункциональных элементов сверхбыстрых параллельных фотонных вычислительных устройств являются структуры с одиночными квантовыми ямами наоснове прямозонных полупроводников [3].
Это обусловлено наличием в спектреих оптической восприимчивости узких изолированных резонансов, связанныхс прямым возбуждением 2D-экситонов Ванье-Мотта. Современная технологиямолекулярно-пучковой эпитаксии позволяет создавать структуры с квантовымиямами со спектральной шириной экситонного резонанса, близкой к теоретическому пределу [4, 5].Следующей технической проблемой, возникающей на пути к созданиюэлементов и устройств фотонной логики на основе таких структур, являетсянеобходимость предложить метод их адресуемого латерального структурирования. Этот метод должен позволить интегрировать дифракционные оптическиеэлементы в функциональные элементы фотонной логики.Схожая проблема существует и для других полупроводниковых наноструктур – квантовых точек.
Возникающие хаотично в результате самоорганизации при эпитаксиальном росте, они могут быть упорядочены с помощью предварительной обработки подложки. Обработка может выполняться как до помещения подложки в установку (ex-situ), так и непосредственно в эпитаксиальной установке (in-situ). Для in-situ обработки подложек используется окислениепод действием острия атомно-силового микроскопа с последующим травлениематомарным водородом [6] и электронная литография [7].
Среди ex-situ методов используется литография с помощью острия туннельного микроскопа [8],литография сфокусированным ионным пучком [9], воздействие электроннымпучком [10]. Все эти методы позволяют контролировать положение зародышей7квантовых точек. Обзор различных методов их латерального упорядочиванияможно найти также в книге [11].При латеральной фрагментации квантовых ям большой интерес представляют методы, позволяющие пространственно модулировать только резонансныесвойства квантовых ям без существенного изменения нерезонансных свойств образца в целом. Однако в литературе наибольшее внимание уделено модуляциинерезонансных свойств образца, например, для интеграции дифракционных решеток в VCSEL-структуры с помощью повторного эпитаксиального роста верхнего распределенного брэгговского отражателя после изготовления дифракционной решетки на нижнем отражателе резонатора VCSEL-структуры [12, 13].Модуляции резонансных оптических свойств квантовых ям можно добиться динамически с помощью нелинейных оптических эффектов.
Например, интерференция двух когерентных лазерных пучков на образце с квантовой ямойможет привести к периодическому распределению электронно-дырочных пар и,следовательно, к возникновению амплитудно-фазовой дифракционной решетки, на которой может дифрагировать третий пучок [14].
Однако, такой способпространственной модуляции малопригоден для создания пространственногораспределения свойств квантовых ям, отличного от простейшей дифракционной решетки, а его пространственное разрешение ограничено длиной волныподсвечивающих лазерных пучков.Предлагаемые в настоящей работе новые методы латерального структурирования свойств квантовых ям заключаются в ex-situ обработке подложекдо роста или эпитаксиальных структур после роста с помощью облучения сфокусированным ионным пучком.
Чувствительность экситонной восприимчивостиквантовых ям к структурным дефектам позволяет подбором минимального воздействия выбрать режимы модуляции именно резонансных оптических свойствобразца.Цель и задачи настоящей работыЦелью настоящей работы является разработка методов пространственной модуляции экситонных свойств одиночных квантовых ям InGaAs/GaAs с помощью8сфокусированных ионных пучков для создания резонансных дифракционныхоптических элементов.В рамках настоящей работы предполагается решить следующие задачи:1. Изучить воздействие облучения пучками ионов 30 кэВ Ga+ и 35 кэВ He+с поверхностными дозами < 1012 1/см2 на оптические свойства тонкиходиночных квантовых ям InGaAs/GaAs.
Сопоставить полученные экспериментальные данные с предсказаниями моделирования рассеяния ионовметодом Монте-Карло.2. Продемонстрировать возможность пространственной модуляции оптических свойств тонких одиночных квантовых ям InGaAs/GaAs с помощьюоблучения ионами 35 кэВ He+ после эпитаксиального роста на примере”экситонной дифракционной решетки”.3. Продемонстрировать ”экситонные дифракционные решетки”, созданные спомощью модификации подложки GaAs пучком ионов 30 кэВ Ga+ и последующего эпитаксиального роста квантовых ям InGaAs/GaAs на такойподложке.4. Построить теоретическую модель, описывающую рассеяние света на пространственно модулированной квантовой яме, и сопоставить теоретические предсказания с экспериментальными данными.Защищаемые научные положения1.
Облучение ионами Ga+ 30 кэВ и He+ 35 кэВ с поверхностной дозой облучения <1012 1/см2 эпитаксиальных структур с одиночными квантовымиямами InGaAs/GaAs приводит к росту неоднородного уширения экситонных резонансов без изменения морфологии образца.2. При облучении ионами Ga+ 30 кэВ изменение оптических свойств квантовых ям обнаружено на глубине на порядок величины большей, чем предсказывает моделирование рассеяния ионов методом Монте-Карло.93.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
