Межподзонные переходы в квантовых ямах Петров, Алексей Геннадьевич

Введение к работе

- з -

Актуальность темы. Развитие в последние десятилетия полупроводниковой технологии и, как следствие, возможность создания квантовых систем пониженной размерности с контролируемыми микроскопическими параметрами позволило непосредственно наблюдать квантопые эффекты в таких системах и в первую очередь меж- и внутриподзонные переходы. Определение вероятности таких переходов является квантовомеланической задачей, которан решается без труда лишь в случае простейших координатных зависимостей потенциальной энергии, таких как бесконечно глубок \я квантовая, яма [1]. Таким образом сегодня в литературе встречаются два альтернативных подхода: аппроксимировать люб -к> квантовую яму прямоугольиой квантовой ямой с непрозрачными стенками или проводить численный расчет. Оба подхода принципиально порочны, квантовая яма,с одной стороны,далеко не всегда симметрична, с другой — роль делокализованных состоят:й над ямой может быть доминирующей. Типичный пример такой системы — фотоприемники дальнего инфракрасного диапазона па системах квантовых ям в рабочем режиме, то есть во внешнем сильном электрическом поле [2]. В реферируемой работе показано, что задача расчета матричного элемента межподзонного перехода электрона может быть сведена к другой задаче, что зачастую де-

- 4 -
ласі вычисления значительно менее громоздкими и по-

зволяет получить результат в простой аналитической форме. Особенно важно то, что задача упрощается для случая потенциалов ступенчатой формы, весьма характерной для обсуждаемых в литературе квантовых гетероструктур, получаемых в основном методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

На основе приведенной теории анализируются спектры поглощения света, особенно разнообразные для полупроводников р-типа. Систематизируются основные закономерности, связывающие вид спектра с формой потенциальной ямы, величиной внешних электрического и магнитного полей, поляризацией света, а также типом начального и конечного состояний.

Целью диссертационной работы является построение последовательной теории, адекватно описывающей межподзонные оптические переходы в квантовых ямах. В частности, анализируется, как влияет на вероятность таких переходов:

изменение формы потенциала квантовой ямы,

приложение внешних электрических и магнитных полей, * изменения поляризации падающего света.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что развитая в работе теория позволяет описывать процессы, про-

- 5 -текающие в новом типе полупроводниковых оптоэлектроннмх приборов — фотоприемликах дальнего инфракрасного диапазона па межподзокных переходах в квантовых ямах. Такие приемники, появившиеся в середине 80^х годов, обладают прекрасными эксплуатационными характеристиками, превосходя по ряду параметра» использовавшиеся ранее в этом диапазоне (4-19/ш) фотонриемникн на основе твердых растворов кадмий-ртуть-теллур (КРТ) [2]. Однако, массовому производству таких приборов препятствует невыясненность ряда важных вопросов о природе протекающих в них физических процессов.

Научная новизна работы состоит в том, что автору удалось развить новый подход к хорошо известной и давно изучаемой проблеме. Предложенное в диссертации преобразование позволило получить простые аналитические результаты для задач, которые ранее решались только численно, и способствовало более глубокому пониманию физической сути поставленных проблем. В конечном счете, это позволило получить следующие основ.іьіе результаты:

1. Предложен новый метод расчета матричных элементов мея>у-ровневых переходов в квантовых ямах, позволяющий для некоторых частных форм потенциала значительно упростить вычисления и получить результат п простой аналитической формо.

1. Для квантовых ям ступенчатой формы метод позволяет выразить матричные элементы меж- и внутриподзонных излуча-тельных и безызлучательных переходов через значения волновой функции и ее производной на гетерограницах.

2. Установлена высокочастотная асимптотика внутризонного коэффициента поглощения света в квантовой яме произвольной формы.

3. Выявлены особенности трансформации спектра внутризонного поглощения света при включении внешних электрического и магнитного полей. -

4. Проанализирована зависимость коэффициента межуровпевого поглощения света от его поляризации, в том числе во внешнем магнитном поле.

С. Методами теории возмущений получены выражения для энергетического спектра и волновых функций дырки и коэффициента межуровпевого поглощения света в квантовой яме р-типа.

7. Изучены особенности формы спектров поглощения в квантовых ямах р-типа для различных типов переходов и поляризации света.

8. Установлена зависимость скорости безызлучательных переходов в квантовых ямах от внешнего электрического поля.

- 7 -По результатам исследований на защиту выносятся следующие положения:

+ Приложение электрического поля, перпендикулярного плоскости квантовой ямы, приводит к появлению серии дополнительных максимумов в спектре межуровневого поглощения света.

Матричные элементы межуровневых излучателышх и беэыз-лучательных переходов в квантовой яме ступенчатой формы зависят, в модели эффективной массы, исключительно от значения волновой функции и ее производной на гетерограницах, то есть в конечном числе точек.

Высокочастотная асимптотика коэффициента поглощения спета в квантовой яме с произвольной формой потенциала пропорциональна uj^-5''² при различии эффективных масс электрона в гетерослоях и и>~⁷/² при их равенстве.

Отношение коэффициентов межуровневого поглощения света с различными поляризациями в квантовой яме произвольной формы, помещенной в .магнитное поле, есть универсальная функция частоты спета и напряженности магнитного ноля.

Коэффициент межуровневого поглощения б кнантопых ямах р-типа преде гаи л нет собой ряд полос, могущих иметь особенности как на краях, гак и в середине. Форма полос, соотнетстну-

ющих переходам между различными уровнями, качественно различна и зависит от поляризации спета.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: Международном симпозиуме «Nanostructures: F'hysics and Technology », Репино 1993, 1 Российской конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород— Москва 1993 и на 7 Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам ICSSM-7, Banff 1994. Работа неоднократно докладывалась на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Объём диссертации составляет 90 страниц текста, в том числе 10 рисунков и список литературы, включающий 62 публикации, отдельно приводится список работ автора по теме диссертации: 7 наименований,