Энергетический спектр и оптические свойства водородоподобных примесных центров в квантовых точках (стр. 6 из 7)

Рисунок 11 – Спектральная зависимость отношения коэффициентов примесного поглощения света с учетом лоренцева уширения уровней энергии электрона

Рисунок 12 – Спектральная зависимость отношения коэффициентов примесного поглощения света с учетом дисперсии размеров квантовой точки

Из сравнения значений коэффициентов примесного магнитооптического поглощения света продольной и поперечной поляризаций, как с учетом лоренцева уширения уровней энергии электрона, так и с учетом дисперсии размеров квантовой точки, следует сделать вывод о наличии дихроизма поглощения света в квазинульмерных структурах с водородоподобными примесными центрами.

Численная оценка величины глубины

, (2.4.1)

где r – отношение коэффициентов поглощения продольной и поперечной поляризации для одинаковой частоты фотона поглощаемого излучения.

И эффективности модуляции

(2.4.2)

вблизи края полосы поглощения света для следующих значений параметров примесного центра и квантовой точки на основе InSb и величины магнитной индукции: R0 = 30 нм, B = 10 Тл дает соответственно значения с учетом лоренцева уширения m(0.12 эВ) ≈ 71.1 % , ηM(0.12 эВ) ≈ 57.9 % ; с учетом дисперсии размеров m(0.11 эВ) ≈ 71.5 % , ηM(0.11 эВ) ≈ 58.3 % .

Таким образом, наблюдаемый дихроизм магнитооптического поглощения в квазинульмерных структурах с водородоподобными примесными центрами может составить основу для разработки модуляторов интенсивности света с управляемой с помощью магнитного поля глубиной и эффективностью модуляции.

Глава III Актуальность исследований и практическое применение

3.1 Области практического применения полупроводниковых гетероструктур

Интенсивное развитие технологии δ-легирования стимулирует интерес к проблеме управляемой модуляции энергии связи примесных состояний и, соответственно, управления энергиями оптических переходов. Это важно как с фундаментальной точки зрения, поскольку двойное квантование содержит ряд дополнительных возможностей исследования зонной структуры низкоразмерных полупроводниковых структур, так и с точки зрения создания фотоприемников с управляемой рабочей частотой и чувствительностью в области примесного поглощения света. Наличие магнитного поля приводит к ощутимому изменению положения примесных уровней. Наличие магнитного поля также приводит к спиновому расщеплению спектра носителей, проявляющемуся, например, в процессах спиновой релаксации, в магнитных и фотогальванических явлениях.

Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые гетероструктуры и, особенно, двойные гетероструктуры, включая квантовые ямы, нити и точки, являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников.

Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая электроника, то гетероструктуры дают возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.

Развитие физики и технологии полупроводниковых гетероструктур привело к значительным переменам в нашей повседневной жизни. Электронные устройства на основе гетероструктур широко используются во многих областях человеческой деятельности. Едва ли возможно вообразить нашу жизнь без телекоммуникационных систем, основанных на лазерах с двойной гетероструктурой (ДГС), без гетероструктурных светодиодов и биполярных транзисторов, без малошумящих транзисторов с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), применяющихся в высокочастотных устройствах, с том числе в системах спутникового телевидения. Лазер с ДГС присутствует теперь фактически в каждом доме в проигрывателе компакт-дисков. Солнечные элементы с гетероструктурами широко используются как для космических, так и для земных программ [21].

3.2 Инжекционные лазеры на квантовых точках. Основные преимущества

Преимущества лазеров на квантовых точках по сравнению с лазером на квантовых ямах можно условно разделить на физические и технологические. Физические преимущества обусловлены в основном δ-образным спектром плотности состояний и гигантской силой осциллятора оптических переходов на единицу объема КТ, обусловленную эффективным перекрытием волновых функций электрона и дырки из-за их пространственной локализации. К таким преимуществам относят сверхвысокую температурную стабильность пороговой плотности тока, гигантские коэффициенты максимального удельного усиления материала и максимального дифференциального усиления материала, на два-три порядка превышающие аналогичные значения для лазера на квантовых ямах. К преимуществам лазеров на КТ можно также отнести малое время заселения основного состояния и, соответственно, высокие рабочие частоты. К технологическим преимуществам можно отнести отсутствие или подавление диффузии неравновесных носителей, что приводит к уменьшенному растеканию неравновесных носителей из области полоска, подавлению безызлучательной рекомбинации на точечных и протяженных дефектах и, соответственно, подавлению эффекта роста дислокаций, а также подавлению эффекта перегрева зеркал за счет поверхностной рекомбинации. Кроме того, упорядоченный массив квантовых точек, расположенный в оптическом волноводе, может приводить к распределенной обратной связи и одномодовой генерации. В случае вертикально излучающих лазеров имеется принципиальная возможность создания лазера на одной квантовой точке, что позволяет избежать неоднородного уширения, характерного для ансамбля квантовых точек, и полностью реализовать преимущества трехмерного квантования [22]. Рабочие характеристики лазеров на КТ, полученных различными методами, исследовались в работах [23–24].

Заключение

Теоретически исследована структура квантовая точка – водородоподобный примесный центр при наличии сильного магнитного поля. В рамках водородоподобной модели в приближении эффективной массы получено уравнение, определяющее зависимость энергии электрона локализованного на примесном центре от величины магнитного поля, а также выражение для края полосы магнитооптического поглощения. Построена графическая зависимость порогового значения энергии фотона от размеров квантовой точки.

Аналитически получены выражения для коэффициентов примесного поглощения исследуемого комплекса в рамках описанной выше модели в дипольном приближении для случаев поглощения световых волн поперечной и продольной поляризаций. Построены и исследованы графические зависимости данных коэффициентов от частоты поглощаемого света, а также от величины магнитного поля.

Исследован дихроизм магнитооптического поглощения комплекса квантовая точка – водородоподобный примесный центр и его эволюция с изменением величины магнитного поля. Рассчитаны значения глубины и эффективности модуляции вблизи края полосы поглощения.

К числу наиболее интересных результатов можно отнести сильную зависимость энергии связи от радиуса квантовой точки и отсутствие зависимости от магнитной индукции. Для спектра примесного магнитооптического поглощения света поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации характерны нормальный и аномальный эффекты Зеемана, на фоне которых заметны осцилляции коэффициента поглощения, обусловленные размерным квантованием. Отсутствие поглощения света продольной по отношению к направлению магнитного поля поляризации в дипольном приближении показывает наличие сильного дихроизма поглощения системой квантовая точка – водородоподобный примесный центр в сильном магнитном поле.

Список использованных источников

1 Кревчик В.Д., Грунин А.Б. Метод потенциала нулевого радиуса в физике низкоразмерных систем: монография. – Пенза.: Изд-во ПГУ, 2007.

2 Алфёров Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур. // ФТП. – 1998. – т.32. – №1. – с.3-18.

3 Боднарь И.В., Гурин В.С. и др. Формирование и оптические свойства наночастиц CuInTe2 в силикатной матрице. // ФТП. – 2007. – т.41. – №8 – с. 959-964.

4 Устинов В.М., Жуков А.Е. и др., Массивы напряженных квантовых точек InAs в матрице (In,Ga)As, выращенные на подложках InP методом молекулярно-пучковой эпитаксии. // ФТП. – 1997. – т.31. – №10 – с. 1256-1260.

5 Пахомов А.А. Локальные электронные состояния в полупроводниковых квантовых ямах. // ФТП. – 1996. – т.30. – №8 – с. 1387-1394.

6 Кревчик В.Д. Введение в полупроводниковую наноэлектронику. ч.1 Квантовый размерный эффект. – Пенза.: Изд-во ПГПУ, 2000.

7 Леденцов Н.Н. и др. гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. // ФТП. – 1998. – т.32. – с.385.

8 Галиев В.И. Спектры энергии и оптического поглощения мелких примесей в полупроводниковой квантовой точке. // ФТП. – 1993. – т.27. – №7. – с.1202-1210.

9 Герчиков Л.Г. Спиновое расщепление подзон размерного квантования в несимметричных гетероструктурах. // ФТП. – 1992. – т.26. – №1. – с.131-139.

10 Калинин Е.Н., Кревчик В.Д., Грунин А.Б. Размерный эффект Зеемана в квантовой нити с водородоподобными примесными центрами. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. – Пенза, 2003. – №6 – с.66-75.

11 Калинин Е.Н., Кревчик В.Д. Аномальный квантоворазмерный эффект Зеемана в магнитооптическом спектре 1D-структур с водородоподобными примесными центрами. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. – Пенза, 2004. – №5 – с.108-121.