Диссертация (1149651), страница 3
Текст из файла (страница 3)
в Междисциплинарном ресурсном центре СПбГУ ”Нанотехнологии” под руководством автора. Все оптическиеизмерения выполнены автором либо самостоятельно, либо совместно с Кожаевым М.А., Шапочкиным П.Ю. и Беляевым Л.Ю. под руководством автора.Анализ, интерпретация результатов и подготовка публикаций выполнены автором лично. Постановка целей и задач работы проведена автором, совместно сОвсяникиным В.В. и Чижовым Ю.В.Структура работыДиссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитированной литературы из 58 наименований, содержит 129 страниц текста, включает49 рисунков и 6 таблиц.Содержание работыВо Введении обоснована актуальность исследования, сформулирована цельработы и основные защищаемые научные положения, отмечена научная новизнаи практическая ценность работы.15Первая глава посвящена обзору работ по оптической спектроскопииквантовых ям, взаимодействию пучков ионов с веществом и методам модификации структур с квантовыми ямами.
Также в главе поставлены задачи, которыепредполагается решить в работе.Во Второй главе рассмотрена задача о рассеянии света на структурес квантовой ямой с пространственно модулированными резонансными оптическими свойствами в приближении однократного рассеяния и с помощью последовательного приближения точного решения уравнений Максвелла.В Третьей главе рассмотрены методы получения сфокусированных пучков ионов Ga+ и He+ , проведено моделирование рассеяния ионов в GaAs методом Монте-Карло. Изучено воздействие однородного облучения ионами нарезонансные оптические свойства квантовых ям InGaAs/GaAs.В Четвертой главе продемонстрирован простейший резонансный дифракционный оптический элемент — ”экситонная дифракционная решетка”, созданная с помощью периодической модуляции резонансных оптических свойствквантовых ям InGaAs/GaAs после эпитаксиального роста пучком ионов 35 кэВHe+ .
Подробно изучены оптические свойства ”экситонной дифракционной решетки”, проведено сравнение с теоретическими предсказаниями.В Пятой главе продемонстрирован метод создания экситонных дифракционных решеток с помощью роста квантовых ям InGaAs/GaAs на облученной30 кэВ Ga+ ионами подложке GaAs, приведены результаты оптических измерений и их обсуждение.В Заключении сформулированы основные результаты работы.16Глава 1Обзор литературы и постановка задачиВ этой главе будут рассмотрены существующие работы, посвященные оптическим свойствам экситонных резонансов в квантовых ямах, взаимодействиюпучков ионов с твердым телом, а также различным существующим методаммодификации структур с квантовыми ямами с помощью таких пучков.
В конце главы на основе проведенного анализа литературы будут сделаны выводы ипоставлены задачи, которые предполагается решить в настоящей работе.1.1Оптические свойства квантовых ямИсследование полупроводниковых гетероструктур является крупнейшим разделом современной физики твердого тела. В последнее десятилетие доля статей, посвященных низкоразмерным полупроводниковым гетероструктурам —квантовым ямам, нитям и точкам, превысила половину всех статей по физикеполупроводников (рис.
1). Одним из наиболее популярных и изученных прямозонных полупроводников является арсенид галлия (GaAs), а также различныебинарные, тернарные и другие соединения элементов III и V группы таблицыМенделеева, объединяемые термином ”соединения A3B5”.С помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) возможносоздание эпитаксиальных гетероструктур A3B5, представляющих собой чередующиеся слои различного состава (и, следовательно, с различной ширинойзапрещенной зоны Eg ). Высокое совершенство кристаллических образцов достигается при росте на GaAs соединий, в которых часть атомов галлия заме-17Рис.
1: Доля публикаций о квантовых ямах, нитях и точках в общем числе публикаций по физике полупроводников (по данным поисковых запросов ”quantumwell”, ”quantum wire” OR ”nanowire”, ”quantum dot” и ”semiconductor” в библиографической базе Scopus).щена атомами алюминия Alx Ga1−x As или индия Inx Ga1−x As. Параметры этихсоединений для типичных величин x приведены в табл. 1 (по данным [20]). При рассогласовании решеток ∼0.1% разница в ширинах запрещенных зонматериалов составляет 0.38 эВ для пары Al0.3 Ga0.7 As/GaAs и 0.031 эВ дляIn0.02 Ga0.98 As/GaAs.ПараметрGaAsAl0.3 Ga0.7 AsIn0.02 Ga0.98 AsEg , эВ (при 0 К)1.5191.8991.488Постоянная решетки, нм 0.5650.5660.566Таблица 1: Свойства GaAs и его соединений.С помощью метода МПЭ возможно создание гетероструктуры, представляющей собой слой вещества с меньшей шириной запрещенной зоны междуслоев с большей шириной (барьеров) — квантовой ямы (quantum well, QW),например Alx Ga1−x As/GaAs/Alx Ga1−x As или GaAs/Inx Ga1−x As/GaAs. При толщине квантовой ямы, соизмеримой с длиной волны де Бройля носителей зарядав полупроводнике (электронов и дырок), их движение в направлении оси ростастановится квантованным.
При низких температурах в таких структурах оп-18тические свойства вблизи фундаментального края поглощения определяютсяв первую очередь резонансами экситонов Ванье-Мотта — квазичастиц, представляющих собой связанное водородоподобное состояние электрона и дырки.Возможность наблюдения таких электрически-нейтральных квазичастиц, переносящих возбуждение, было предсказано в 1931 году Яковом Ильичем Френкелем [18], а первое экспериментальное наблюдение было выполнено ЕвгениемФёдоровичем Гроссом в 1952 году [19].Тонкая квантовая яма (с толщиной много меньшей длины волны света)с изолированным экситонным резонансом в отсутствии взаимодействия междуотдельными экситонами может быть описана как слой двухуровневых систем(осцилляторов).
В работе [21] было описано формирование фотоотклика от такой системы при падении на нее линейно поляризованной световой волны понормали к слою. Было получено выражение для времени сверхизлучения среды, обратной величиной к которому является скорость радиационного затухания поляризации (радиационная ширина резонанса) ΓR :ΓR =2πN Lωp2,c(1)где N — плотность активных осцилляторов, L — толщина квантовой ямы(L λ), ω — частота падающей волны, p — дипольный момент перехода,c — скорость света, λ — длина волны света. Также в работе было полученовыражение для поля, отраженного от такого слоя.
В стационарном режимеможет быть получено следующее выражение для резонансного коэффициентаотражения KRR :KRR =Γ2R,Γ2(2)где Γ = ΓR + Γ2 + Γ∗2 — полная скорость фазовой релаксации экситонов,состоящая из радиационного затухания со скоростью ΓR , скорости необратимойфазовой релаксации Γ2 и скорости обратимой фазовой релаксации (неоднородного уширения резонанса) Γ∗2 (при этом распределение осцилляторов по частотам принимается лоренцевским, многочисленные эксперименты подтверждаютприменимость такого приближения на практике).
Аналогичные результаты бы-19ли получены в работе [22].Компонента Γ2 может быть обусловлена различными механизмами рассеяния, одним из которых является рассеяние экситонов на тепловых колебанияхрешетки — фононах. В работе [23] для температурной зависимости уширенияза счет экситон-фононного рассеяния предложено следущее выражение:Γ2 = γAC T + γLO n(T ),(3)где T — температура, n(T ) — функция распределения Бозе-Эйнштейна,а γAC и γLO — параметры, определяющие вклад акустических и оптическихфононов.Компонента Γ∗2 обусловлена разбросом частот отдельных осцилляторов,и в случае идеальной квантовой ямы равна нулю. Совершенствование метода МПЭ позволяет создавать квантовые ямы все более высокого качества,Например, в InGaAs/GaAs квантовых ямах с малым процентным содержанием индия в тройном растворе при низких температурах возможно наблюдение экситонных резонансов с тяжелой дыркой с нерадиационным уширениемΓN R = Γ2 + Γ∗2 меньшим, чем радиационная ширина резонанса ΓR [5].
Такжевозможно создание структур с ΓN R ≈ 2ΓR на основе алюминия: квантовых ямGaAs/Al0.3 Ga0.7 As [4] и GaAs/Al0.03 Ga0.97 As [24].Выражение (2) справедливо в случае слоя двухуровневых систем в вакууме. Анализ спектров отражения реальных эпитаксиальных структур с квантовыми ямами требует учета интерференции света, отраженного от квантовойямы, с нерезонансным отражением от границы раздела образец/вакуум [22].Нерезонансное отражение может быть практически полностью подавлено в геометрии Брюстера, т.е. при падении света p-поляризации под углом Брюстера [25]. В этом случае выражение (2) остается справедливым.При рассеянии света на квантовой яме с пространственной модуляциейоптических свойств картина рассеяния приобретает более сложный вид, чемотражение, и требует решения уравнений Максвелла для своего теоретического описания.
В работе [26] экспериментально и теоретически рассмотрен случайрассеяния на квантовой яме с градиентом спектрального положения экситонно-20го резонанса. В приближении малоуглового рассеяния эта задача может бытьрешена точно. Полученное экспериментально угловое распределение интенсивности рассеянного света находится в хорошем согласии с аналитическим теоретическим выражением.1.2Взаимодействие ионных пучков свеществомМоделирование взаимодействия пучков ионов с веществом возможно методамимолекулярной динамики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
