Диссертация (1150801), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Авторы проследилизависимость силы осциллятора от ширины квантовой ямы, глубины квантовой ямы и температуры. Большое внимание в этой работе уделено экситонфононному взаимодействию. В частности, было установлено, что температурные зависимости силы осциллятора в квантовых ямах InGaAs/GaAs соответствуют взаимодействию с объёмными фононами, для который квантоваяяма не образует локализующий потенциал в силу встроенного напряжения иэффектов сегрегации. Для квантовых ям GaAs/AlGaAs, напротив, фононылокализуются в квантовой яме, и взаимодействие экситона происходит с пространственно локализованными фононами, что отражается на температурнойзависимости силы осциллятора.
Три разных вида материала квантовой ямыпозволили варьировать мощность локализующего потенциала и параметрызон. Наблюдаемые при этом зависимости силы осциллятора соответствуютожидаемым и качественно объясняются изменением радиуса экситона и эффективных масс носителей. Моделирование в этой работе проводилось с использованием феноменологической модели отражения от многослойной диэлектрической структуры с резонансной особенностью в области экситонногорезонанса в диэлектрической проницаемости для слоя квантовой ямы.20Сила осциллятора квантовых ям GaAs/AlGaAs была также исследованав спектрах поглощения в волноводной геометрии [73]. Анализируя поляризованные спектры поглощения, авторы смогли выделить из спектров значениясилы осциллятора экситона для квантовых ям шириной от 2 до 10 нм.
Этотметод не получил дальнейшего распространения, поскольку процедура анализа, использованная в статье, довольно сложна, а экспериментальная методика требует специального дизайна гетероструктур с короткопериоднымисверхрешётками, образующими волновод. Недавние исследования радиационной скорости распада в квантовых ямах высокого качества были проведены Полтавцевым и др. [75, 76]. В этих работах был подтверждён общий видтеоретически предсказанной зависимости скорости радиационного распадаот ширины квантовой ямы. Экспериментально были исследованы спектрыотражения гетероструктур GaAs/AlGaAs c одиночными квантовыми ямамишириной 2-20 нм.
Геометрия эксперимента под углом Брюстера позволяет обнулить вклад в сигнал света, отражённого от внешней поверхности образца,что резко упрощает анализ формы спектральных контуров. Экситонные резонансы при этом достаточно хорошо описываются функцией Лоренца. Ширина контура Лоренца, наблюдаемого в отражении, складывается из уширения,связанного со скоростью радиационного распада, и уширения, обусловленного нерадиационными процессами. Амплитуда пика отражения определяетсяотношением радиационного уширения к общей ширине линии.
Исследуя зависимость спектров отражения от температуры, авторам удалось выделить внерадиационном уширении вклад от стационарных флуктуаций потенциалаквантовой ямы и вклад, связанный к экситон-фононным взаимодействием. Вто же время, в информации, полученной из спектров отражения, измеренныхпод углом Брюстера, есть определенные ограничения. Как показано в главе 4, возникающая при произвольном угле падения деформация спектрального контура, обусловленная интерференцией волн, отраженных от квантовой ямы и от поверхности образца, несёт полезную информацию о профилепотенциала гетероструктуры.Влияние магнитного поля на силу осциллятора экситона в квантовыхямах исследовалось многими авторами [79–82].
Так в работе [81] исследовались спектры поглощения множественных квантовых ям InGaAs/InP. Три21образца, выращенные методом газофазной эпитаксии, содержали набор из20 квантовых ям с толщинами 14, 10 и 6 нм, соответственно. Магнитное поле было направлено ортогонально плоскости квантовых ям и изменялось вдиапазоне 0÷8 Тл. В работе большое внимание уделено моделированию экситонной волновой функции в магнитном поле с учётом сложной валентной зоны.
Был составлен гамильтониан, адаптированный под особенности системы.Волновые функции были получены с использованием метода минимизациифункционала. Экспериментально исследованы диамагнитный сдвиг и площадь экситонной особенности в спектре поглощения. Последняя демонстрирует монотонный рост в магнитном поле, что свидетельствует об увеличениисилы осциллятора экситона. Анализируя экспериментальные зависимости,авторам удалось получить параметры эффективных масс в исследованныхсистемах.В полупроводниках с более высокой энергией связи экситона, таких какCdTe, гораздо легче достигнуть хорошего качества гетероструктуры, если его оценивать по соотношению величин радиационного и нерадиационного уширений экситонной линии. В таких структурах можно надёжноопределить скорость радиационного распада экспериментально с достаточно высокой точностью.
В работе [79] были исследованы гетероструктурыCdTe/(Cd,Mn)Te. Используя метод моделирования спектров отражения гетероструктур, из спектров были извлечены значения силы осциллятора экситонов в гетероструктурах с одиночными и множественными квантовымиямами, а также со сверхрешётками при приложении внешнего магнитного поля величиной до 6 Тл, направленного перпендикулярно плоскости квантовыхям. Рассмотренные в работе эффекты не связаны с локализацией экситонной волновой функции магнитным полем, а обусловлены изменением локализующего потенциала гетероструктуры в магнитном поле. Из-за магнитныхионов в составе барьерных слоёв магнитное поле приводит к значительномуизменению зонной структуры гетероструктуры гораздо раньше, чем экситонначинает удовлетворять критерию Эллиотта-Лудона.
Поэтому наблюдаемоеизменение силы осциллятора вызвано изменением разрывов зон и, как следствие, глубины квантовых ям. В случае со сверхрешёткой гетероструктура22первого типа становится гетероструктурой второго типа во внешнем магнитном поле и, таким образом, сила осциллятора экситона падает.В работе [82] были произведены численные расчёты энергии связи и силыосциллятора экситона в магнитном поле для квантовых ям 0 < < 3 (для GaAs 15 нм). Поле было направлено перпендикулярно плоскости квантовой ямы.
В малых полях < 2 Тл был использован метод минимизациифункционала, а для больших была использована теория возмущений. Результаты расчёта энергий состояний были сопоставлены с экспериментальнополученными значениями и показали хорошее согласие, позволив уточнитьпараметры эффективных масс носителей. Для силы осциллятора подобногосопоставления проведено не было. Теоретические кривые показывают суперлинейный рост силы осциллятора в магнитном поле.Ещё одна методика, позволяющая отслеживать увеличение силы осциллятора экситона в магнитном поле – измерение расщепления Раби экситонногополяритона как функции магнитного поля [83, 84].
Соответствие расщепления Раби в спектрах отражения и силы осциллятора, измеренной в спектрахпоглощения, было установлено в работе [83]. Используя вариационный метод,авторы получили волновую функцию в квантовой яме InGaAs/GaAs толщиной 8 нм. Волновая функция затем была использована для получения параметров экситонного резонанса, необходимых для моделирования спектровотражения методом матриц переноса. Теоретически полученные спектры вэтой работе хорошо согласуются с экспериментом для всех рассматриваемыхзначений магнитного поля (до 11 Тл). В дополнение к расщеплению Раби были исследованы осцилляции Раби в разрешённом по времени исследованииспектров отражения с использованием стандартной методики с удвоениемчастоты нелинейным кристаллом.
В этой работе было измерено лишь относительное увеличение силы осциллятора в магнитном поле.В недавней работе [84] была предложена методика, совмещающая вариационный метод и теорию возмущений. Она позволяет описать экситонв магнитном поле в узких квантовых ямах. Для боровского радиуса экситона в плоскости квантовой ямы была получена аналитическая формула,позволяющая аккуратно описать эволюцию энергии экситонного состояния,а также эволюцию расщепления Раби в полях до 8 Тл. Экспериментально23исследовались спектры люминесценции гетероструктуры с квантовой ямойInGaAs/GaAs шириной 8 нм, заключённой в микрорезонатор с брэгговскимизеркалами GaAs/AlGaAs.
Спектры люминесценции с угловым разрешением,позволяющие регистрировать дисперсионную зависимость экситонного состояния, показывают значительный рост расщепления Раби в магнитном поле.Это свидетельствует об увеличении силы осциллятора экситона, однако болеедетально вопрос зависимости силы осциллятора от магнитного поля рассмотрен не был.Зачастую теоретический анализ экситонов подразумевает упрощённуюмодель потенциала квантовой ямы, то есть, прямоугольный профиль потенциала для электрона и для дырок [58, 66, 85, 86]. Несмотря на высокое качество современных гетероструктур, форма потенциала квантовой ямы можетбыть далека от прямоугольной сразу по нескольким причинам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
