Отрицательно заряженные экситонные комплексы в модулированно-легированных квантовых ямах на основе CdTe в присутствии внешнего магнитного поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Санкт-Петербургский Государственный Университет

На правах рукописи

(У

Андроников Дмитрий Александрович

Отрицательно заряженные экситонные комплексы в модулированно-легированных квантовых ямах на основе СсГГе в присутствии внешнего магнитного

поля

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005049902

г 1 ФЕВ 7013

Санкт-Петербург 2013

005049902

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Научный руководитель: Владимир Петрович КОЧЕРЕШКО,

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты: Алексей Валерьевич КУДИНОВ,

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Василий Робертович ШАГИНЯН,

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный

Политехнический Университет

За

Защита состоится «14» марта 2013 года в []_ часов на заседании диссертационного совета Д212.232.33 в Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу 198504, г. Санкт-Петербург, Старый Петергоф, ул. Ульяновская д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

А. В. Лезов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование полупроводниковых наноструктур, содержащих квантовые ямы (КЯ), сверхрешети и квантовые точки, в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений в физике полупроводников. Полупроводниковые наноструктуры на основе соединений СсГГе предоставляют прекрасную возможность для исследования новых физических явлений.

Особый интерес для исследований и практических приложений представляют модулировано легированные гетероструктуры, содержащие двумерный электронный (20Е0). Фундаментальный характер явлений, определяющих оптические свойства таких структур, а также их практическая важность для использования в полупроводниковых приборах делают тему диссертации актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.

Целью диссертации является поиск новых и исследование ранее известных фундаментальных физических явлений, связанных с проявлением экситон-электронного взаимодействия, а также объяснение их проявления в оптических спектрах полупроводниковых квантовых ям.

Научная новнзна работы заключается в том, что в ней впервые обнаружен и исследован ряд новых физических явлений с участием нейтральных и заряженных экситонов, среди которых можно отметить следующие:

В структурах с квантовыми ямами с модулированным легированием Сс1Те/Сс1К^Те в присутствии магнитного поля впервые однозначно идентифицированы оптически запрещенные и оптически разрешенные триплетные состояния триона.

Дано объяснение проявлению линий оптически запрещенных триплетных состояний триона в спектрах ФЛ структур с КЯ на основании спин-зависимого механизма формирования трионов в присутствии магнитного поля.

Дано объяснение аномальной зависимости положения линии люминесценции триона от магнитного поля при факторе заполнения уровней Ландау у>1 в структурах с квантовыми ямами с модулированным легированием CdTe/CdMgTe с умеренной плотностью 2ЭЕС.

Достоверность н надежность результатов обуславливается использованием в качестве теоретической основы описанных в диссертации механизмов физических взаимодействий фундаментальных принципов и физических законов, а также использованием хорошо отлаженных экспериментальных методик и тщательной проверкой полученных экспериментальных результатов. Результаты исследований опубликованы в авторитетных реферируемых журналах и докладывались на различных международных конференциях и симпозиумах.

Положения, выносимые на защиту:

1) В спектрах люминесценции образца CdTe/Cd0 jMgo^Te с концентрацией электронов в КЯ пе = 8х10ш см"2 в присутствии магнитного поля присутствуют линии люминесценции синглетного состояния триона, а также оптически запрещенного и оптически разрешенного триплетных состояний триона.

2) В спектрах отражения образца CdTe/CdQ7Mg03Te с концентрацией электронов в КЯ пе = 8хЮ10 см"2 отсутствуют особенности на длине волны люминесценции оптически запрещенного триплетного состояния триона и присутствует резонанс на длине волны люминесценции оптически запрещенного состояния триона, что подтверждает принятую классификацию линий ФЛ.

3) Энергетический зазор между линиями экситона и оптически запрещенного триплетного состояния триона в спектре люминесценции, рассматриваемый как энергия связи соответствующего состояния, возрастает с увеличением величины магнитного поля и аппроксимируется к нулевому значению в отсутствии магнитного поля.

4) Оптически запрещенное триплетное состояние триона наблюдается в спектрах ФЛ струкутр с КЯ CdTe/CdojMgo/Te в магнитном поле из-за преимущественного механизма формирования триона в этом состоянии вследствие спиновой поляризации 2DEG в присутствии магнитного поля на фоне подавления механизма формирования триона в синглетном состоянии.

5) Аномальное поведение линии триона в спектрах ФЛ образца CdTc/Cd0,7Mg03Te с концентрацией электронов в КЯ пе = 3,7x10й см"2 в магнитном поле, соответствующем фактору заполнения уровней Ландау v<l, связано с тем, что электрон в конечном состоянии после рекомбинации триона может оказаться в состоянии с энергией в диапазоне (ЕР, со). В магнитном поле характер зависимости положения линии рекомбинации триона определяется характером зависимости энергии Ферми электрона в конечном состоянии.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней получен ряд новых результатов, важных для понимания физических процессов с участием нейтральных и заряженных экситонов, в гетероструктурах, содержащих двумерный электронный газ. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, могут быть использованы другими авторами при интерпретации экспериментальных данных и при разработке теоретических моделей. Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются только объектами исследования, использованными в данной работе. Основная научная и практическая ценность работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей. Результаты работы целесообразно использовать для исследования оптических свойств и характеризации полупроводниковых гетероструктур с пониженной размерностью.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на семинарах в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе. Основные результаты были представлены: на Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2003), на международной конференции по физике полупроводников ICPS (Флагстафф, США, 2004), на международном российско-германском студенческом семинаре JASS-2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), на международной школе по полупроводниковым материалам (Яжовиц, Польша, 2005); на Всероссийской конференции по физике полупроводников (Москва, Россия, 2005); на конкурсе молодых ученых ФТИ (2005).

Публикации и личный вклад автора. По результатам исследований, составляющих содержание диссертации, опубликовано 10 научных работ в реферируемых журналах. Общий список публикаций приведен в конце автореферата. Личный вклад автора в исследования выразился в проведении экспериментальных исследований модулированно-легированных квантовых ям на основе CdTe методами оптической спектроскопии в магнитном поле; анализе результатов экспериментальных исследований; участии в разработке модели формирования синглетных и триплетных состояний триона в присутствии внешнего магнитного поля при низких температурах; написании научных статей по теме диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 112 страниц текста, включая 21 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и основные защищаемые положения диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, описана структура диссертации.

Первая глава носит вводный характер. В ней представлен обзор литературы по экситон-электронному взаимодействию, выявлены наиболее актуальные вопросы по тематике исследования и дана постановка задачи для диссертационной работы.

Одним из наиболее ярких явлений, связанных с проявлением экситон-электронного взаимодействия, является образование новой квазичастицы -триона. Существование трионов было предсказано в 1958 году Лампертом [1], предположив существование двух типов заряженных экситонных комплексов (или трионов). Первый тип - отрицательно заряженный экситонный комплекс Х~ образован двумя электронами и одной дыркой. При условии, что эффективная масса дырки много больше, чем эффективная масса электрона т/,»те, отрицательно заряженный экситонный комплекс

является аналогом иона водорода Н~. Второй тип - положительно заряженный экситонный комплекс образован одним электроном и двумя дырками. При тн»те, положительно заряженный экситонный комплекс является аналогом ионизованной молекулы водорода ///. Позднее было показано [2], что трион является стабильной квазичастицей при любых соотношениях масс электрона и дырки. Диссертационная работа посвящена исследованию отрицательно-заряженных экситонных комплексов во внешне магнитном поле.

Трионы были экспериментально обнаружены в полупроводниковых КЯ на основе соединений Сс1Те [3], ваАБ [4], гпБе [5], ХпО [6], углеродных нанотрубках [7], а также в квантовых точках 1пАз/СаЛз [8], АЮаАзЛИаАз [9].

Вторая глава посвящена описанию структуры отрицательно заряженных экситонных комплексов в присутствии внешнего магнитного поля, экспериментальных методик и результатов проведенных экспериментальных исследований образцов с квантовыми ямами (КЯ) Сс1Те/Сс1М§Те.

В начале главы дается описание энергетической структуры двухэлектронных состояний. Решением уравнения Шредингера для них является волновая функция, записываемая в качестве произведения двух независимых компонент — пространственной и спиновой составляющих: (р( 1,2) = £/(1,2)^(1,2). Полная волновая функция такого состояния <р является антисимметричной относительно перестановки двух электронов, согласно статистике Ферми [10]. Единственная антисимметричная спиновая составляющая волновой функции состояния с суммарным спином двух электронов Бе = 0 соответствует синглетному спиновому состоянию триона. Существуют также три линейно независимые симметричные спиновые составляющие волновой функции, соответствующие состояниям с суммарным спином двух электронов Бе= 1, с тремя возможными проекциями на выбранное направление = ±1,0. Такие состояния называются триплетными. Пространственная часть волновой функции имеет вид:

где знак «+» относится к синглетным состояниям, а знак «-» - к триплетным состояниям [10]. Если оба электрона находятся в основном состоянии (п=1,1=т=0), то пространственная часть волновой функции, а вместе с ней и полная волновая функция, в случае триплетного состояния, когда оба электрона имеют одинаковое направление спина, в соответствии с принципом Паули, обращается в ноль. Отсюда следует, что основным состоянием системы двух электронов является синглетное состояние, для которого в случае, когда оба электрона находятся в основном /л- состоянии, выражение (1) не обращается в ноль. Для триплетного состояния пространственная часть волновой функции не будет обращаться в ноль, только если второй электрон будет находиться в возбужденном состоянии,

(1)

например 2.5 (п=2, 1=т=0) или 2р (п=2, 1фО). Оптические переходы в такие (из таких) состояния должны удовлетворять правилам отбора: А = ±1, Ьг = О [11, 12]. В соответствии с правилом отбора по угловому моменту импульса, триплетное состояние триона с Ьг =-1 (один электрон в а другой в 2р состояниях) является оптически запрещенным. Синглетное состояние триона, в котором два электрона находятся в /.? состоянии с противоположными проекциями спина, является оптически разрешенным. Также оптически разрешенным состоянием является триплетное состояние, в котором оба электрона находятся в б-состояниях (/л и 2я) и имеют нулевой орбитальный момент Ь=Ь2 = 0. В отсутствии магнитного поля единственным связанным состоянием триона является основное синглетное состояние, триплетные же состояния не являются связанными [13]. В сильном магнитном поле, вследствие квантования состояний электронов по уровням Ландау, которые являются вырожденными по угловому моменту, принцип Паули не накладывает такого строгого ограничения на основное состояние триона как в нулевом магнитном поле, и выполняется правило Хунда заполнения атомных уровней, согласно которому нижележащим состоянием триона является триплетное состояние. Кроме того, вследствие эффекта Зеемана, в присутствие магнитного поля каждый из уровней трионов расщепляется на два.

В работах [11,12] приведены расчетные данные, согласно которым в пределе высокого магнитного поля единственным связанным состоянием триона при нижнем уровне Ландау является триплетное состояние с угловым моментом =-1, являющееся оптически запрещенным, при этом синглетное состояние триона является несвязанным. При расчете спектра состояний в магнитном поле с учетом реальных условий — конечных величины магнитного поля и ширины квантовой ямы, было показано [13] наличие трех связанных состояний при нижнем уровне Ландау: синглетного состояния триона, оптически запрещенного триплетного состояния триона с I, =-1, а также триплетного состояния триона с Ьг = 0, являющегося оптически разрешенным, причем энергия связи этого состояния значительно меньше энергии связи других состояний триона. В отличие от синглетного состояния триона, энергия связи обоих триплетных состояний стремится к нулю в пределе нулевого магнитного поля [12, 13]. Таким образом, энергетическая структура трионной системы в магнитном поле выглядит следующим образом: основным состоянием системы является оптически разрешенное синглетное состояние, далее по энергии следует оптически запрещенное триплетное состояние с Ь: =-1, вышележащим по энергии является оптически разрешенное триплетное состояние с /,. =0.

Для исследования свойств отрицательно заряженных экситонных комплексов использовалась спектроскопия фотолюминесценции и отражения в магнитном поле в геометрии Фарадея. Спектры фотолюминесценции и отражения регистрировались в поляризациях а + и а" в ходе одного импульса

развертки магнитного поля от 0 до 45 Т в геометрии Фарадея при температурах Т=1.6К, 4.2К, 15К при нормальном падении света на плоскость исследуемых образцов. В качестве образцов для экспериментальных исследований использовались структуры с одиночными квантовыми ямами CdTe/Cd0.7Mg0 3Te типа-I шириной 100 Â, выращенными на подложке GaAs в направлении [100] методом молекулярно-пучковой эпитаксии. На расстоянии 100 Â от КЯ находится легированный йодом 5-слой и-типа. При низкой температуре электроны из б-слоя собираются в КЯ, формируя квазидвумерный электронный газ (2DEG). Исследовался набор гетероструктур, в которых концентрация электронов менялась в пределах от ЗхЮ10 до 3,7x10й см"2. Для анализа и обработки экспериментальных данных были выбраны образцы с концентрацией электронов в КЯ пе = 8х10ш см"2 (Главы 2 и 3) и пе= 3,7x10й см"2 (Глава 4).

В малых магнитных полях (0-ЗТ) в обеих круговых поляризациях доминирует спектральная линия синглетного состояния триона Ts (спины электронов +1/2, -1/2, спин дырки -3/2), линия нейтрального экситона X практически незаметна (Рис. 1). Энергия связи синглетного состояния триона (энергия диссоциации на экситон и электрон), экспериментально определяемая как разница спектрального положения линии триона и линии экситона, в малых полях составляет порядка 3 мэВ, с ростом магнитного поля увеличивается до 4-4,5 мэВ. В магнитном поле величиной более 17 Т в поляризации ст " от линии ФЛ экситона отщепляется еще одна линия ФЛ, обозначенная на рисунках Т?. В магнитном поле величиной 17-22Т она проявляется как плечико на линии ФЛ экситона, а в поле более 25 Т как отдельная линия люминесценции. При максимальной величине магнитного поля 45Т линия ФЛ Т? имеет энергетический зазор от линии X около 3 мэВ. С уменьшением величины магнитного поля энергия связи состояния Т? уменьшается и стремится к нулю в пределе нулевого магнитного поля. В поляризации а+ линии, соответствующей линии Т?, во всем диапазоне магнитных полей не наблюдалось. На основании положения линии ФЛ Т? в спектре, величины ее отщепления от линии ФЛ экситона X и зависимости величины отщепления от магнитного поля [11,12], а также поляризации, данная линия соответствует оптически запрещенному триплетному состоянию триона с суммарной проекцией спина на направление магнитного поля Sz = +1/2 +1/2 -3/2 = -1/2 и проекцией орбитального момента Lz = -1. В магнитном поле величиной более 35Т в спектрах люминесценции в поляризации а" появляется еще одна линия, отщепленная от линии ФЛ экситона ~ на 1 мэВ, обозначенная на рис. 1 Т,ь. Как и линия ФЛ Т?, линия Т,ь в поляризации о+ не проявляется. На основании численных расчетов положения энергетических уровней трионных состояний и их энергии связи [11,12], можно сделать вывод, что линия Т,ь соответствует оптически разрешенному триплетному состоянию триона. Оптически разрешенное

Рис. 1. Зависимость энергий линий люминесценции от магнитного поля при температуре 1,6К. Светлые кружки - поляризация а+, темные - поляризации а'. X — состояния нейтрального

экситона, "/', — синглетиое состояние триоиа, Т? -оптически запрещенное

триплетиое состояния триоиа, Т,ь - оптически разрешенное состояние триоиа. Триплетные состояния обозначены темными треугольниками и наблюдаются только в поляризации а

триплетное состояние триона имеет спиновую конфигурацию идентичную оптически запрещенному состоянию триона с суммарной проекцией спина на направление магнитного поля 5, = +1/2 +1/2 -3/2 = -1/2, однако имеет значение проекции орбитального момента на направление магнитного поля Ь2=0.

Помимо спектров люминесценции образца с концентрацией электронов в КЯ пе = 8х10ш см"2 исследовались спектры отражения, являющиеся функцией плотности состояний энергетических уровней исследуемой структуры. Интенсивности резонансов отражения пропорциональны силам осцилляторов соответствующих оптических переходов. Это означает, что оптически запрещенные состояния не могут проявляться в спектрах отражения. В поле 6 Т в спектрах отражения наблюдаются полностью поляризованный резонанс '/'„ относящийся к синглетному состоянию триона и практически не поляризованный резонанс X. Сильная поляризация линии отражения Т5 связана с тем, что в присутствии внешнего магнитного поля при низкой температуре (1.6К) электроны в КЯ полностью поляризованы и имеют спин +1/2 ^-фактор электронов для СсГГе цс = -1,56), т.е. находятся на нижнем зеемановском подуровне. Следовательно, возможен единственный механизм формирования синглетного состояния триона: возбуждением фотоном поляризации ст+ (8рь = +1) электрона со спином -1/2 и дырки со спином +3/2 с присоединением электрона из 20Ей со спином +1/2. В спектрах ФЛ, в магнитном поле порядка 20-25 Т к линиям и X добавляется линия триплетного состояния триона Т/. Однако, в спектрах отражения в поле 27 Т резонансов, совпадающих по положению с линией Т? в спектре ФЛ, не наблюдается. Следовательно, линия ФЛ 7/ соответствует оптически запрещенному переходу, что подтверждает ранее установленную принадлежность этой линии оптически запрещенному триплетному состоянию триона. В спектрах отражения в высоком магнитном поле линия

Магнитное поле (Т)

Рис. 2. Спектры отражения и соответствующие им

спектры люминесценции в полях 6, 27 и 45Т при температуре 1,6К образца с пе = 8хЮ10 см"2. Обозначения линий аналогичны рис 4. Штрих-пунктирными линиями представлены

спектры в поляризации а , жирными сплошными

линиями спектры в поляризации а". Тонкими сплошными линиями

представлен результат

разделения контуров

спектров люминесценции в поляризации а".

Energy (meV)

экситона в поляризации а' явно уширена в длинноволновой области. В области длин волн, соответствующей линии Т? в спектре ФЛ, наблюдается "плечико". Это говорит о том, что данный резонанс, хотя и соответствует переходу с небольшой силой осциллятора, является оптически разрешенным. Наличие резонанса в спектре отражения подтверждает соответствие линии ФЛ Т,ь оптически разрешенному триплетному состоянию триона с проекцией суммарного спина £=-1/2 и орбитального момента Lz=0.

Третья глава посвящена объяснению наблюдения оптически запрещенного триплетного состояния триона в спектрах ФЛ на основе спин-зависимого механизма формирования триона в магнитном поле при низких температурах. В магнитном поле выше 12 Т, с учетом значений g-факторов электрона ge, дырки gw, и g-фактора экситона, нижним по энергии является состояние экситона с суммарной проекцией спина -1 (поляризация о "), верхним - состояние с суммарной проекцией спина +1 (поляризация а +), см. Рис. 3. При низкой температуре преимущественно заселенными будут являться нижние энергетические уровни. С ростом магнитного поля в спектрах ФЛ наблюдается подавление линии триона в синглетном состоянии в обеих поляризациях (рис. 4). В магнитном поле трион в синглетном состоянии с проекциями спина электронов и дырки (-1/2 +1/2 -3/2) формируется либо парой электрон (-1/2) - экситон (+1/2 -3/2), либо парой

электрон (+1/2) - экеитон (-1/2 -3/2), см. Рис. 3 А. В первом случае, вследствие большой величины зеемановского расщепления и низкой температуры подуровень электрона с проекцией спина -1/2 оказывается не заселенным и формирование триона подавляется. Во втором случае формирование триона подавляется т.к. незаселенным оказывается экситонный уровень (-1/2 -3/2). Аналогичные рассуждения можно провести для триона в синглетном состоянии с проекциями спина электронов и дырки (-1/2 +1/2 +3/2). Таким образом, в магнитном поле при низких температурах механизм формирования триона в синглетном состоянии подавлен в обеих поляризациях в силу большой величины зеемановского расщепления энергетических уровней электронов и экситонов, формирующих трион, что приводит к подавлению его люминесценции.

Рис. 3. Схема положения уровней энергии экситонной и электронной системы в магнитном поле выше 12Т. Стрелками показан механизм формирования триона в синглетных (А) и триплетных (В) состояниях, сплошные линии - в поляризации а штрихованные линии — в поляризации а+.

В спектрах ФЛ с КЯ CdTc/Cd0i7Mg03Te с концентрацией электронов пе = 8x10ю см"2 в магнитном поле величиной 25Т и более наблюдается линия люминесценции оптически запрещенного состояния триона Т?. Интенсивность люминесценции любого состояния прямо пропорциональна произведению силы осциллятора этого состояния на заселенность состояния. В работе [14] было экспериментально установлено, что время излучательной рекомбинации оптически запрещенного триплетного состояния триона зависит от концентрации электронов в квантовой яме. Таким образом, взаимодействие с электронами может привести к релаксации трансляционной симметрии и увеличению вероятности запрещенного оптического перехода. Тогда, при отличной от нуля силе осциллятора перехода, малая величина силы осциллятора может быть компенсирована большой заселенностью энергетического уровня. В магнитном поле трион в триплетном состоянии с

проекциями спина электронов и дырки (+1/2 +1/2 -3/2) формируется парой электрон (+1/2) - экситон (+1/2 -3/2), см. Рис. 3 В. Зеемановский подуровень электрона со спином (+1/2) является нижним по энергии и наиболее заселенным, подуровень экситона со спином (+1/2 -3/2) также является нижним и наиболее заселенным. Следовательно, в присутствии магнитного поля механизм формирования триона в триплетном состоянии является преимущественным по сравнению с механизмом формирования триона в синглетном состоянии, и триплетное состояние в присутствии магнитного поля является наиболее заселенным. Такое преимущественное заселение объясняет появление линии этого оптически запрещенного состояния в спектрах люминесценции, несмотря на малую силу осциллятора соответствующего оптического перехода.

Для оценки механизма формирования трионов в синглетных и триплетных состояниях в присутствии магнитного поля был произведен расчет интенсивности ФЛ экситонных и трионных состояний на основе системы кинетических уравнений, описывающих механизмы формирования, релаксации и рекомбинации состояний, предложенной в работе [15]. Расчетная система энергетических уровней включала в себя четыре уровня горячих экситонов (sz ±2, ±1), четыре уровня холодных экситонов (sz ±2, ±1), два уровня синглетных состояний триона (sz ±3/2), два уровня триплетных состояний триона - оптически запрещенный и оптически разрешенный (sz -1/2), и два уровня электронов (sz±l/2). Включение в систему уровней горячих экситонов позволяет учесть нерезонансный характер возбуждения люминесценции. Для электронов в 2DEG распределение заселенности соответствует распределению Ферми. Для расчета кинетики процессов описанной экситон-трионной системы использовались 12 уравнений вида:

d< <"1' + „°~т'->__г"' + (2),

, -nXI,oiTK ПХ ТК - 1 ' farm +П\ 'farm - » 'farm /■>"» V '

ПХ + "« "x + "«

- "x (ri"' + + С + r4-') + < ri1 + п^т? + n^;-' приведенного в качестве примера для экситона о" (sz = -1). Здесь п) обозначает заселенность уровня различных состояний: j = X (холодный экситон), Xhoi (горячий экситон), X (трион) и е (электрон); в различных спиновых конфигурациях: i = ст±, ±2, trip (триплет) иМ Времена, обозначенные ц1 (k = rec, form, К, X ,Х, ей /г), характеризуют прямые процессы, т.е. процессы, идущие в направлении уменьшения энергии, а времена, обозначенные г**"', характеризуют обратные процессы, т.е. процессы, идущие в направлении увеличения энергии. На модель накладывались дополнительные условия, что позволило уменьшить количество варьируемых параметров, входящих в систему кинетических уравнений: в предельном случае, когда времена жизни относительно рекомбинации бесконечны, система должна достигать химического равновесия между системами уровней экситона и триона,

§4500 s

n =3*10'" cm' T=1.6K

T,

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Магнитное поле (T)

/

X*

0.0

о

10

20

Magnetic field, T

30

40

Рис. 4. Сравнение экспериментальной (слева) и расчетной (справа) зависимостей интенсивностей всех линий ФЛ от магнитного поля. X' - линия ФЛ экситона в поляризации а+, X" - линия ФЛ экситона в поляризации аТ5+ - линия ФЛ экситона в поляризации а+, Т5" - линия ФЛ экситона в поляризации стТ,1* - линия ФЛ оптически запрещенного триплетного состояния триона.

уровнями горячих экситонов, уровнями холодных экситонов и уровнями трионов. Значения для характерных времен протекания процессов были выбраны на основе экспериментально измеренных величин [16] и варьировались в пределах одного порядка при оптимизации расчетного процесса. Результаты численного расчета показали низкую чувствительность к изменениям величины характерных времен процессов при соблюдении следующего условия: тр,„п < тх < ц, те, тгесх [15]. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальной зависимостью интенсивностей всех линий ФЛ от магнитного поля (Рис. 4). Несмотря на то, что вероятность оптического рекомбинации триплетного состояния триона была выбрана на два порядка меньшей по сравнению с вероятностью разрешенного перехода, линия ФЛ триплетного триона имеет значительную интенсивность в магнитном поле выше ЮТ. Такое поведение объясняется преимущественной заселенностью оптически запрещенного триплетного состояния в магнитном поле.

Глава 4 посвящена исследованию эффектов наблюдаемых в спектрах люминесценции структуры СёТе/Сс^^^^уТе с концентрацией электронов в КЯ пе = 3,7x10й см"2. Помимо линий связанных синглетных и триплетных состояний в спектрах ФЛ в промежутке магнитных полей от 3 до 10 Т наблюдаются серия линий (ТгСЯ), испытывающих линейных сдвиг в коротковолновую область и в пределе нулевого магнитного поля стремящихся к положению линии Т8, в промежутке магнитных полей от 3 до 8 Т наблюдается линия Би, испытывающая линейный сдвиг в длинноволновую часть спектра, стремящаяся в пределе нулевого магнитного

поля к положению линии Ts для образца с концентрацией электронов в КЯ пе = 8x1010 cm"2 (Рис. 5). SU (shake-up) процессом является рекомбинация триона с одновременным возбуждением дополнительного электрона, формирующего трион, на один из верхних уровней Ландау. Наблюдаемая линия соответствует рекомбинации триона и переходу дополнительного электрона, формирующего трион, на 1-ый уровень Ландау. Линии трион-циклотронного резонанса TrCR соответствуют одновременной рекомбинации триона и переходу электрона с верхнего уровня Ландау на нижний. Проявление этого резонанса в спектрах ФЛ объясняется горячей люминесценцией, т.к. энергия оптического возбуждения исследуемых образцов много больше энергии рекомбинации всех наблюдаемых в спектрах ФЛ состояний. В спектрах ФЛ наблюдается две линии TrCR, соответствующие переходам с 1-го уровня Ландау на 0-вой и со 2-го уровня Ландау на О-вой, соответственно. Положение основного спектрального максимума ФЛ Ts в обеих круговых поляризациях не совпадает с положением этих линий в спектрах ФЛ образца с пе = 8х10ш см"2 вплоть до магнитного поля ЮТ со сдвигом в длинноволновую часть спектра. В нулевом магнитном поле этот сдвиг максимален и равен 5 мэВ. Разность энергетического положения этих линий имеет линейную зависимость от величины магнитного поля с наклоном J* . В отсутствии магнитного поля после рекомбинации триона в конечном 2 '

состоянии остается электрон, причем его энергия может лежать только в диапазоне (EF\ оо), т.к. все электронные состояния с энергией ниже энергии Ферми EF заняты вследствие наличия 2DEG в квантовой яме. Энергия рекомбинации трионного состояния будет уменьшена на величину энергии конечного состояния электрона. Вероятность обнаружения электрона после рекомбинации триона в состоянии с энергией выше Ер уменьшается пропорционально величине этой энергии, следовательно, максимум линии ФЛ триона будет наблюдаться при значении энергии Ejr — Ef (здесь Ejr — энергия рекомбинации триона). В магнитном поле непрерывный спектр состояний превращается в дискретный спектр уровней Ландау с энергетическим зазором между уровнями равным tico ■ С ростом магнитного

поля энергия Ферми «прыгает» с одного уровня Ферми на другой при пересечении с ними, пока заселенным не остается только нижний уровень Ландау. Для КЯ с низкой плотностью 2DEG, уже в малом магнитном поле, заполненным оказывается только нижний уровень Ландау, для КЯ с большой плотностью 2DEG это происходит при больших значениях В. Как только фактор заполнения уровней Ландау для образца с большей концентрацией электронов сравняется с единицей, различий в положении линии ФЛ между образцами с разными плотностями 2DEG не будет, т.к. электрон в конечном состоянии после рекомбинации триона будет иметь одинаковую энергию для процессов рекомбинации в обеих КЯ. Для образца с пе = 3,7x10й см"2 при

Рис. 5. Зависимость положения максимумов всех линий ФЛ образца CdTe/Cd0,7Mg0i3Te с

концентрацией электронов в КЯ пе = 3,7x10" см"2 от магнитного поля.

Дополнительно сплошными и пунктирными линиями

обозначена зависимость положения линий ФЛ для образца с 8х10ш см"2 в поляризации а " и ст+, соответственно.

факторах заполнения v>l наблюдаются скачки спектрального положения линии ФЛ при целочисленных факторах заполнения уровней Ландау. Такое поведение полностью соответствует модели, в которой энергия электрона в конечном состоянии равна энергии Ферми 2DEG.

В Заключении обобщены основные результаты диссертации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. V.P. Kochereshko, М. Kutrovski, D.A. Andronikov, Т. Wojtowicz, G. Karczewski, J. Kossut, "Combined exciton-electron optical transitions in modulation doped QWs // Phys. Status Solidi C- 2003, v.0, p. 1463-1466.

II. V. Kochereshko, D. Andronikov, A. Platonov, S. Crooker, T. Barrick, G. Karczewski, P. Tronc, "Excitons and trions in modulation doped structures in high magnetic fields" // Acta Phys. Pol. A - 2004, v. 106, p. 319 - 328

III. V.P. Kochereshko, D.A. Andronikov, G. Karczewski, S.A. Crooker, "Excitons and trions in heavily doped QWs at high magnetic fields" // Phys. Status Solidi С -2005, v. 2, p. 877-880.

IV. D. Andronikov, V. Kochereshko, A. Platonov, S. Crooker, T. Barrick, G. Karczewski, "Temperature dependence of exciton and trion states in CdTe quantum well at high magnetic fields" // Acta Phys. Pol. A - 2005, v. 108, p. 653660.

V. D. Andronikov, V. Kochereshko, A. Platonov, T. Barrick, S.A. Crooker, G. Karczewski, "Singlet and triplet trion states in high magnetic fields: Photoluminescence and reflectivity spectra of modulation-doped CdTe/Cdo.7Mgo.3Te quantum wells" // Phys. Rev. В - 2005, v. 72, p. 165339.

VI. V. Kochereshko, D. Andronikov, S.A. Crooker, G. Karczewski, J.Kossut, "Multielectron processes in the optics of two-dimensional excitons" // Phys. Status Solidi С - 2006, v. 3, p. 2485-2488.

VII. P. Tronc, D. Andronikov, V. Kochereshko, S.A. Crooker, G.Karczewski,

1636 T=1,6K n, = 3,7x10" см '

1632

1628 3 1624 s | 1620 о. iS 1616 TiCR 2 / / TrCR 1

/ / .„isiS"^" ■ / i x ,, T.

1612 -w

1608

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Магнитное поле, T

"Symmetry of trion states in modulation-doped CdTe/CdMgTe nanostructures under a high magnetic field" // Phys. Status Solidi В - 2006, v. 244, p. 669-676.

VIII. D.A. Andronikov, M. Fehr, V.P. Kochereshko, S.A. Crooker, G. Karczewski, "Behavior of excitons and trions in CdTe/CdMgTe quantum-well structures with variations in temperature" // Physics of Solid State - 2007, v. 49, p. 1567-1571.

IX. V.P. Kochereshko, D.A. Andronikov, A.A. Klochikhin, G.V. Mikhailov, S.A. Crooker, G. Karczewski, J. Kossut, "Combined exciton-electron processes in two-dimensional electron gas" // Int. J. Mod. Phys. В - 2007, v. 21, p. 1535-1540.

X. V.P. Kochereshko, D.A. Andronikov, A.A. Klochikhin, S.A. Crooker, G. Karczewski, J. Kossut, "Many body effects in the optical behavior of quantum well excitons" // Phys. Status Solidi С - 2008, v. 5, p. 2404-2407.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. M.A.Lampert, Phys. Rev. Letters - 1958, v.l, p.450-453.

2. G.Munschy, B.Stebe, Phys. Status Solidi В - 1974, v.64, p.213-222.

3. K.Kheng et al, Phys. Rev. Letters - 1993, v.71, p.1752-1755.

4. G.Finkelstein et al, Phys. Rev. Letters - 1995, v.74, p.976-979.

5. G.V.Astakhov et al, Phys. Rev. В - 1999, v.60, p.R8485-R8488.

6. J. Puis et al, Phys. Rev. В -2012, v.85, p. 041307-041307-4.

7. S.M. Santos et al Phys. Rev. Lett.- 201 l,v. 107, p. 187401 -187401-5.

8. R.J.Warburton et al, Phys. Rev. Letters - 1997, v.79, p.5282-5285.

9. J. G. Tischler et al, Phys. Rev. В-2002, v. 66, 081310-081310-4.

10. H. Bethe "Intermediate Quantum Mechanics", W.A. Benjamin, New York -Amsterdam, 1964.

11. A.B. Dzyubenko et al, Phys. Status Solidi В - 2001, v.227, p.365-369.

12. A. Wojs et al, Phys. Rev. В - 2000, v.62, p.4630-4637.

13. D.M.Whittaker, A.J.Shields, Phys. Rev. В - 1997, v.56, p.15185-15194.

14. D. Sanvitto et al, Phys. Rev. Lett. - 2002, v. 89, p. 246805 - 246805-4.

15. C.R.L.P.N.Jeukens et al, Phys.Rev.B - 2002, v.66, p.235318-235318-11.

16. J. Tribollet et al, Phys. Rev. В - 2003, v. 68, p. 235316 - 235316-6.

Подписано в печать 4 февраля 2013 года. Формат А5. Усл. Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1955. Отпечатано в цифровом копировальном центре «Восстания 1» 191036, Санкт-Петербург, ул. Восстания, д.1. Тел.: (812) 719-95-04

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АНДРОНИКОВ Дмитрий Александрович

Отрицательно заряженные экситонные комплексы в модулированно-легированных квантовых ямах на основе С(1Те в присутствии внешнего магнитного поля

(01.04.07 - физика конденсированного состояния)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

СО

Научный руководитель: д.ф.м.н Кочерешко Владимир Петрович

со 8

Ю

О о

СМ 2

^ Санкт-Петербург

2013

Содержание

Введение...................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор работ по исследованию экситон-электронного взаимодействия в

полупроводниковых квантовых ямах...........................................................10

Глава 2. Синглетные и триплетные состояния трионов в квантовых ямах С(1Те/Сс11У^Те........................................................................................................................23

2.1. Энергетические состояния гелиеподобных ионов с двумя электронами...............23

2.2 Основные экспериментальные методы и исследуемые структуры.....................29

2.2.1 Экспериментальные методики................................................................29

2.2.2 Исследуемые гетероструктуры................................................................31

2.3 Наблюдения линий трионной и экситонной фотолюминесценции и отражения в оптических спектрах квантовой ямы Сс1Те/Сс11^Те с умеренной плотностью электронного газа.......................................................................................

2.4 Механизм рекомбинации состояний триона и экситона и положение линий этих

состояний в спектрах ФЛ.............................................................................

2.5. Энергия связи заряженного экситонного комплекса.......................................

Выводы но Главе 2.......................................................................................

Глава 3. Механизм формирования трионов в синглетных и триплетных состояниях трионов в магнитном поле....................................................................

3.1 Механизм формирования трионов в синглетных состояниях в магнитном поле при низких температурах..............................................................................

3.2 Механизм формирования трионов триплетных состояниях в магнитном поле при низких температурах................................................................................

3.3 Расчет интенсивности люминесценции экситонных, синглетных и триплетных трионных состояний на основе системы кинетических уравнений...........................

3.4 Температурная зависимость спектров ФЛ................................................

Выводы по Главе 3....................................................................................

Глава 4. Комбинированные многоэлектронные процессы с участием трионов

4.1 Спектры ФЛ структуры с КЯ Сс1Те/Сс1МуТе с концентрацией 2ПР.О пс = 3,7x10''

см"2.........................................................................................................

4.2 Особенности поведения линии ФЛ синглетного состояния триона в зависимости от величины магнитного поля........................................................................

4.3 Эффект «встряски электронного газа» (Би процессы).....................................

4.4 Комбинированный трион-циклотронный резонанс.........................................

Выводы но Главе 4......................................................................................

Заключение..............................................................................................

Список литературы...................................................................................

Введение

Исследование заряженных экситонных комплексов в структурах с пониженной размерностью является интенсивно развивающейся областью физики полупроводников. В рамках этого направления обнаружен широкий спектр качественно новых физических явлений. Эти явления имеют нс только фундаментальное, общефизическое значение, но могут найти и прикладное применение.

Представляемая диссертационная работа посвящена исследованию отрицательно заряженных экситонных комплексов - трионов в структурах с квантовой ямой Сс1Те/Сс1М£Те с различной плотностью электронного газа (20Ев) в присутствии внешнего магнитного поля.

Особенностью структур с квантовыми ямами является то, что в этих структурах из-за квазидвумерного характера движения электронов, экранирование кулоновского взаимодействия в экситоне ослаблено. Кроме того, благодаря увеличению перекрытия волновых функций электрона и дырки, энергия связи экситона заметно увеличивается. Эти особенности структур с квантовыми ямами облегчают наблюдение заряженных экситонных комплексов.

В присутствии внешнего магнитного поля помимо основного состояния триона также оказываются связанными состояния с другой спиновой конфигурацией. Структура этих состояний исследовалась в работе методами оптической спектроскопии.

Еще одним проявлением экситон-электроиного взаимодействия являются комбинированные процессы с участием триона и электронов из 20Е0: эффект встряски электронного газа (811) и комбинированный трион-циклотронный резонанс. Эти процессы обуславливают появление новых линий в оптических спектрах, линейно

II 2

сдвигающихся с магнитным полем, для структур с умеренной (порядка 10 см")

плотностью 20Ев. Помимо этих явлений с изменением концентрации электронов в КЯ наблюдаются изменения зависимости положения линии люминесценции отрицательно заряженного экситонного комплекса от магнитного поля.

Представленные физические эффекты не исчерпывают весь класс явлений в данной области физики полупроводников.

Целью настоящей работы является поиск новых и исследование ранее известных фундаментальных физических явлений, связанных с проявлением экситон-электронного взаимодействия, а также объяснение их проявления в оптических спектрах полупроводниковых квантовых ям.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые обнаружен и исследован ряд новых физических явлений с участием нейтральных и заряженных экситонов, среди которых можно отметить следующие:

В структурах с квантовыми ямами с модулированным легированием СсГГе/Сс1М§Те в присутствии магнитного поля впервые однозначно идентифицированы оптически запрещенные и оптически разрешенные триплетные состояния триона.

Дано объяснение проявлению линий оптически запрещенных триплетных состояний триона в спектрах ФЛ структур с КЯ на основании спин-зависимого механизма формирования трионов в присутствии магнитного поля.

Дано объяснение аномальной зависимости положения линии люминесценции триона от магнитного поля при факторе заполнения уровней Ландау у>1 в структурах с квантовыми ямами с модулированным легированием СсГГе/СсИУ^Тс с умеренной плотностью 20Е0.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней получен ряд новых результатов, важных для понимания физических процессов с участием нейтральных и заряженных экситонов, в гетероструктурах, содержащих двумерный электронный газ. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, могут быть использованы другими авторами при интерпретации экспериментальных данных и при разработке теоретических моделей.

Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются только объектами исследования, использованными в данной работе.

Основная научная и практическая ценность работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей. Результаты работы целесообразно использовать для исследования оптических свойств и характеризации полупроводниковых гетероструктур с пониженной размерностью.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1) В спектрах люминесценции образца СсГГе/Сс^дК^озТе с концентрацией

10 2

электронов в КЯ пс = 8x10 см" в присутствии магнитного ноля присутствуют линии люминесценции синглетного состояния триона, а также оптически запрещенного и оптически разрешенного триплетных состояний триона.

2) В спектрах отражения образца СсГГе/Сс^лГ^о/Ге с концентрацией электронов в

10 2

КЯ Пс ~ 8x10 см" отсутсвуют особенности на длине волны люминесценции оптически запрещенного триплетного состояния триона и присутсвует резонанс на длине волны люминесценции оптически разрешенного состояния триона, что подтверждает принятую классификацию линий ФЛ.

3) Энергетический зазор между линиями экситона и оптически запрещенного триплетного состояния триона в спектре люминесценции, рассматриваемый как энергия связи соответствующего состояния, возрастает с увеличением величины магнитного поля и аппроксимируется к нулевому значению в отсутствии магнитного поля.

4) Оптически запрещенное триплетное состояние триона наблюдается в спектрах ФЛ струкутр с КЯ СсГГе/Сс1о,7М£о,зТе в магнитном поле из-за преимущественного механизма формирования триона в этом состоянии вследствие спиновой поляризации 20Е0 в присутствии магнитного поля на фоне подавления механизма формирования триона в синглетном состоянии.

5) В спектрах люминесценции образца СсГГе/Сс10 3Те с изменением

температуры перераспределение интенсивности линий носит аномальный характер, обусловленный кинетикой заселения этих состояний.

6) Аномальное поведение линии триона в спектрах ФЛ образца СсГГе/СёодК^о.зТе с

11 2

концентрацией электронов в КЯ пе = 3,7x10 см" в маг нитном поле, соответствующем фактору заполнения уровней Ландау у<1, связано с тем, что электрон в конечном состоянии после рекомбинации триона может оказаться в состоянии с энергией в диапазоне (Ер, оо). В магнитном поле характер зависимости положения линии рекомбинации триона определяется характером зависимости энергии Ферми электрона в конечном состоянии.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на семинарах в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе. Основные результаты были представлены: на Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2003), на международной конференции по физике полупроводников 1СР8 (Флагстафф, США,

2004), на международном российско-германском студенческом семинаре МБ8-2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), на международной школе но полупроводниковым материалам (Яжовиц, Польша, 2005); на Всероссийской конференции по физике полупроводников (Москва, Россия, 2005); на конкурсе молодых ученых ФТИ (2005). По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, перечень которых приведен в конце диссертации [1-Х].

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 115-ти наименований. Общий объем работы - 110 страниц машинописного текста, включая 21 рисунок.

Первая глава носит вводный характер. В ней представлен обзор литературы по экситон-электронному взаимодействию и дана постановка задачи для диссертационной работы.

Во второй главе описаны основные экспериментальные методики, дано описания синглетных и триплетных спиновых конфигураций трионных состояний, представлены результаты оптических исследований структур с КЯ СсГГе/Сс1МёТе в магнитном поле. Представлены свидетельства наличия в спектрах ФЛ исследуемых структур линий синглетных и оптически запрещенных и оптически запрещенных триплетных состояний триона.

В третьей главе описан механизм формирования трионов в синглетных и триплетных состояниях в магнитном поле, дано объяснение проявления оптически запрещенных триплетных состояний триона в спектрах ФЛ структур с КЯ СсГГе/Сс1[\^Те, представлен модельный расчет кинетики экситонных, трионных и электронных состояний в магнитном поле.

В четвертой главе представлены результаты оптических исследований структур с КЯ Сс1Те/Сс1М§Те с повышенной плотностью 20Е0, объяснены проявления

комбинированных трион-электронных состояний в спектрах ФЛ, а также аномального поведения линии ФЛ синглетного состояния триона с ростом магнитного поля. Основные выводы представлены в конце каждой главы. В заключении обобщены основные результаты работы.

Глава 1. Обзор работ по исследованию экситон-электронного взаимодействия в полупроводниковых квантовых ямах

В 1958 году Ламперт [1] расширил аналогию между экситоном X в полупроводнике и атомом водорода Н в вакууме, предположив существование двух типов заряженных экситошнлх комплексов или трионов. Первый тип - отрицательно

заряженный экситонный комплекс Х~ образован двумя электронами и одной дыркой. При условии, что эффективная масса дырки много больше, чем эффективная масса электрона т)1»те, отрицательно заряженный экситонный комплекс является

аналогом иона водорода Н~, в котором два электрона с антипараллельными спинами движутся вокруг протона. Второй тип - положительно заряженный экситонный

комплекс Х+ образован одним электроном и двумя дырками. При /»/,»те, положительно заряженный экситонный комплекс является аналогом ионизованной молекулы водорода //2 , в которой один электрон движется вокруг двух протонов.

Стабильность заряженного экситонного комплекса относительно распада на экситон и свободный электрон или дырку в зависимости от соотношения эффективных масс электрона и дырки и=те/т/( изучалась в работах [2-6]. Из этих численных расчетов следует, что заряженный экситонный комплекс является стабильной квазичастицей при любом значении параметра а. Экспериментально трионы были обнаружены в объемных полупроводниках ве [7,8], 81 [9] и СиС1 [10]. Однако, дальнейшее экспериментальное исследование заряженных экситонных комплексов в объемных материалах было затруднено, так как в объемных полупроводниках йе и Б!

энергия связи триона (энергия диссоциации на экситон и свободный электрон или дырку) мала и составляет менее 1 мэВ.

состояние)

Прогресс в полупроводниковой технологии, связанный с возможностью создания двухмерных (2Э) [квантовые ямы (КЯ), сверхрешетки], одномерных (Ш) [квантовые нити] и нульмерных [квантовые точки] полупроводниковых систем, возродил интерес к изучению заряженных экситонных комплексов. Энергия связи триона существенно увеличивается с понижением размерности системы [11-15], и это

позволяет использовать оптические методы в исследовании свойств таких комплексов. Трионы были экспериментально обнаружены в полупроводниковых КЯ на основе соединений СсГГе [16,17], ваАз [18,19], гпБе [20,21], ZnO [22], углеродных нанотрубках [23], а также в квантовых точках 1пАв/СаАз [24,25, 26], АЮаАзЮаАз [27].

Теоретический расчет структуры триона в КЯ представлен в работах [11,1315,28-34]. В этих работах различными численными методами находились собственные значения и собственные функции трехчастичного гамильтониана. Электронно-дырочная функция распределения р{г) для отрицательного заряженного экситонного комплекса, отображающая вероятность найти электрон на расстоянии г от дырки, в общем случае функция р(г) имеет два максимума [31]. Схематически трион может быть представлен как экситон (внутренний радиус триона близок к боровскому радиусу экситона), окруженный дополнительным электроном (рис. 1.1). Величина внешнего радиуса триона (ат) зависит от конкретных параметров, таких как: соотношение эффективных масс электрона и дырки, ширина квантовой ямы, высота барьеров и др. Основное состояние триона является синглетом т.е. суммарный спин электронов, образующих трион, равен = 0. Возможно также триплетпое состояние триона (г1)) с суммарным спином электронов 5 = 1 и тремя возможными проекциями на выбранное направление =±1, 0. В нулевом магнитном поле триплетное состояние триона

является нестабильным. Во внешнем магнитном поле триплетное состояние триона является связанным комплексом [32-35]. Оптические переходы при возбуждении или рекомбинации трионных состояний должны удовлетворять следующим правилам отбора относительно конечного и начального состояний: Л8: = ±1, Ь: = 0 [33]. Теоретические расчеты показывают возможность существования как оптически разрешенных, так и оптически запрещенных триплетных состояний триона, при этом

оптически запрещенное состояние является энергетически нижним из триплетных состояний [33, 34]. Более подробное описание структуры состояний отрицательно заряженного триона представлено в главе 2 настоящей работы. О наблюдении в оптических спектрах в присутствии внешнего магнитного поля оптически разрешенных и оптически запрещенных триплетных состояний сообщалось в работах [36,37] в КЯ ZnSe, [38-41] в КЯ СсІТе и [42, 43] в КЯ ОаАз. Люминесценция оптически запрещенного триплетного состояния наблюдалась и в данной диссертационной работе. Попытки объяснения наблюдения линий фотолюминесценции оптически запрещенного триплетного состояния триона предпринимались различными авторами. Так в работе [34] делается предположение, что наблюдаемые линии являются следствием переходов из оптически разрешенных триплетных состояний, однако это не подтверждается ни исследованиями спектров отражения [40, 41], ни расчетами величины энергии связи этих состояний [33]. Авторы работы [32] объясняют появление линий люминесцеции увеличением силы осциллятора этого состояния засчет взаимодействия с дополнительными электронами. В работе [40] появление линии ФЛ оптически запрещенного состояния объясняется тем, что при определенной вели