Оптические свойства квантовых проволок и сужений со статическими дефектами в электрическом и магнитном полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

КЛЛИНИИ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ПРОВОЛОК И СУЖЕНИЙ СО СТАТИЧЕСКИМИ ДЕФЕКТАМИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 3 ноя 2014

САРАНСК-2014

005555172

Работа выполнена на кафедре «Физика» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Научный руководитель: Кревчик Владимир Дмитриевич,

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоиенты: Жуковский Владимир Чеславовнч,

доктор физико-математических наук, профессор

Хвастунов Николай Николаевич

кандидат физико-математических наук, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»

Защита состоится "10" декабря 2014 г., в 14— часов, на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.117.13 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68, ауд. 243.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке имени М. М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68 и на сайте университета: http://www.mrsu.пь'ш/с115з/с1155рЬр9РЛ.1:-:\'1ЕЫТ__Ш^З 1177

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68а, «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева», диссертационный совет Д 212.117.13

Автореферат разослан 5 ноября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.117.13 кандидат технических наук

С. Д. Шибайкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы получила интенсивное развитие концепция инженерии дефектов в технологии полупроводниковых приборов на основе наноструктур. Важным аспектом инженерии дефектов является использование методов оптической спектроскопии для обнаружения, характеризации и идентификации дефектов [1]. Наряду с этим, результаты расчетов оптических и транспортных характеристик, модифицированных наличием статических дефектов (СД) в наноструктурах, позволяют получить ценную информацию об энергетическом спектре примесных атомов и параметрах дислокаций. Такие расчёты наиболее актуальны для квантовых проволок (КП) и квантовых сужений (КС), оптические и транспортные свойства которых во многом определяют их широкие приложения в наноэлектронике. Особый интерес с точки зрения проблемы управления электронными свойствами КП и КС, представляет исследование влияния эффектов электрического и магнитного полей на СД в данных структурах. Действительно, как магнитное, так и электрическое поле, модифицируя электронный спектр в КП и КС, могут оказывать существенное влияние на энергию связи примесных центров и рассеивающие свойства краевых дислокаций (КД). Актуальность таких исследований определяется перспективой создания новых оптоэлектронных приборов с управляемыми характеристиками.

Диссертационная работа посвящена развитию теории примесного магнито- и электрооптического поглощения в КС, а также теории эффекта фотонного увлечения электронов в КП с краевой дислокацией во внешнем продольном магнитном поле.

Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании влияния эффектов электрического и магнитного полей на оптические свойства КС с Неподобными примесными центрами, а также в исследовании особенностей электронного транспорта в КП с краевой

дислокацией, связанного с эффектом фотонного увлечения (ЭФУ) при внутризонных оптических переходах во внешнем магнитном поле.

Задачи диссертационной работы

1. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получить аналитическое решение задачи о связанных состояниях электрона, локализованного на Б'-центре в КС при наличии внешних продольных относительно оси сужения магнитного и электрического полей. Исследовать зависимость энергии связи Б~-состояния от эффективной длины КС и величины внешних электрического и магнитного полей.

2. В дипольном приближении получить аналитическую формулу для коэффициента примесного поглощения света в КС с Б^-центром с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. Исследовать влияние эффектов электрического и магнитного полей на спектры примесного поглощения света в КС.

3. В борновском приближении в рамках модели Бонч-Бруевича и Когана получить аналитическое выражение для времени релаксации импульса при рассеянии электронов на КД в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и параметров КД на зависимость времени релаксации от кинетической энергии налетающего на КД электрона.

4. Рассчитать температурную зависимость подвижности электронов в КП при рассеянии на КД во внешнем продольном магнитном поле. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и параметров КД на температурную зависимость подвижности. Провести сравнение полученной температурной зависимости подвижности электронов с другими механизмами рассеяния — на ЬА-фононах и на случайных неровностях границы КП.

5. В линейном по импульсу фотона приближении получить аналитическое выражение для плотности тока фотонного увлечения электронов при внутризонных оптических переходах в КП с КД при наличии внешнего продольного магнитного поля. Исследовать влияние внешнего магнитного поля

4

и параметров КД на спектральную зависимость плотности тока фотонного увлечения. Выявить влияние механизмов рассеяния электронов (на ЬА-фононах, на системе короткодействующих примесей, на КД) на форму спектральных кривых плотности тока фотонного увлечения в КП. Теоретически исследовать возможность использования ЭФУ электронов при внутризонных оптических переходах в КП в продольном магнитном поле для разработки детекторов лазерного излучения.

Научная новизна полученных результатов

1. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получено дисперсионное уравнение электрона, локализованного на О -центре в КС при наличии продольных электрического и магнитного полей. Показано, что в КС, находящемся во внешнем магнитном поле, продольное электрическое поле подавляет эффект магнитного вымораживания О -состояния вследствие электронной поляризации и штарковского сдвига по энергии.

2. В дипольном приближении получена аналитическая формула для коэффициента примесного поглощения света в КС во внешних продольных электрическом и магнитном полях с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. Показано, что для спектральной зависимости коэффициента примесного поглощения света характерны квантово-размерные эффекты Зеемана и Штарка. Выявлена возможность эффективного управления краем полосы примесного поглощения света в КС путем вариации величин внешнего магнитного и электрического полей. Найдено, что внешнее продольное электрическое поле приводит к уменьшению амплитуды осцилляций на зависимости коэффициента примесного поглощения света от величины внешнего продольного магнитного поля в КС из-за штарковского сдвига по энергии.

3. В борновском приближении в рамках модели Бонч-Бруевича и Когана получено аналитическое выражение для времени релаксации импульса при рассеянии электронов на КД в КП с параболическим удерживающим

5

потенциалом при наличии внешнего продольного магнитного поля. Показано, что для зависимости времени релаксации от кинетической энергии налетающего на КД электрона характерны осцилляции, период которых в продольном магнитном поле уменьшается, а величина времени релаксации возрастает вследствие гибридного квантования.

4. Рассчитана температурная зависимость подвижности электронов при рассеянии на КД в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля. Найдено, что с ростом температуры подвижность электронов в КП достаточно медленно убывает, что связанно с изменением зарядового состояния КД. Показано, что рассмотренный механизм рассеяния электронов может быть существенным в сравнении с рассеянием на ЬА-фононах и на случайных неровностях границы КП, при этом температурный интервал его эффективности определяется величиной вероятности заполнения акцепторных центров в дислокационной линии.

5. Развита теория ЭФУ электронов при внутризонных оптических переходах в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля. В линейном по импульсу фотона приближении получена аналитическая формула для плотности тока фотонного увлечения и исследована его спектральная зависимость для разных механизмов рассеяния электронов: на ЬА-фононах, на системе короткодействующих примесей, на КД. Показано, что для спектральной зависимости плотности тока характерен дублет Зеемана, форма пиков в котором зависит от механизма рассеяния электронов в КП. Выявлена чувствительность пиков к параметрам дислокационной линии и удерживающего потенциала. Показано, что на температурной зависимости плотности тока фотонного увлечения имеется максимум, который с ростом величины внешнего магнитного поля смещается в область более высоких температур.

Практическая ценность работы

1. Развитая теория примесного поглощения света в КС при наличии внешних продольных электрического и магнитного полей может быть

использована при разработке фотоприемников ИК-излучения с управляемыми характеристиками.

2. Рассчитанная в диссертационной работе температурная зависимость подвижности электронов в КП с КД в продольном магнитном поле может оказаться полезной для предсказания электрофизических характеристик полупроводниковых приборов на основе КП.

3. Развитая теория ЭФУ электронов при внутризонных оптических переходах в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля может быть использована при разработке детекторов лазерного излучения с управляемой фоточувствительностью.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Внешнее продольное электрическое поле подавляет эффект магнитного вымораживания 0"-состояний в КС за счёт электронной поляризации и штарковского сдвига по энергии.

2. Влияние внешних продольных электрического и магнитного полей проявляется в спектрах примесного оптического поглощения КС в виде квантово-размерных эффектов Зеемана и Штарка, а также в уменьшении амплитуды осцилляции во внешнем электрическом поле на зависимости коэффициента примесного поглощения света от величины внешнего магнитного поля в КС.

3. В продольном магнитном поле период осцилляций в энергетической зависимости времени релаксации при рассеянии электронов на КД уменьшается вследствие гибридного квантования.

4. Температурный интервал эффективного влияния механизма рассеяния электронов на КД в КП в продольном магнитном поле определяется величиной вероятности заполнения акцепторных центров в дислокационной линии.

5. Форма пиков в дублете Зеемана в спектральной зависимости плотности тока фотонного увлечения в КП существенно зависит от механизма рассеяния носителей заряда.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 6-ой Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (г. Пенза, 2011г.); на 11-й Всероссийской с международным участием конференции-школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (г. Саранск, 2012г.); на У1П Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем» (г. Пенза, 2014г.); на Международной научной конференции «Достижения физико-математических наук» (г. Москва, 2014г.); на XXIV Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки» (г. Москва, 2014г.); на 13-ой Международной конференции-школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (г. Саранск, 2014г.).

Личный вклад. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем участии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьи в других изданиях, 3 статьи в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объём диссертации составляет 123 страницы машинописного текста и содержит 32 рисунка и список литературы, включающий 147 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, её научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию влияния эффектов электрического и магнитного полей на примесное оптическое поглощение в КС с Б"-центром. Удерживающий потенциал КС моделировался потенциалом вида у(р,<р,г) = ти^р2 /2 - т'ш]г2 / 2, где т — эффективная масса электрона; ш0- характерная частота удерживающего потенциала в радиальном направлении КС; и>г = /(">'•*?) > £ - эффективная

длина КС. Внешнее электрическое и магнитное поля направлены вдоль оси КС. Короткодействующий потенциал Б^-центра, расположенного в сечении узкого горла КС, моделировался потенциалом нулевого радиуса. Задача определения волновой функции и энергии связи ^-состояния состоит в построении одноэлектронной функции Грина для уравнения Шредингера с электрическим и магнитным полями и исследовании её аналитических свойств. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получено дисперсионное уравнение электрона, локализованного на Б"-центре в КС при наличии внешних продольных электрического и магнитного полей. Результаты компьютерного анализа дисперсионного уравнения представлены на рис. 1а, б.

Из рис. 1 а видно, что в КС, находящемся во внешнем магнитном поле, продольное электрическое поле подавляет эффект магнитного вымораживания О"-состояния (сравн. кривые 1 и 4 на рис. 1а) вследствие электронной поляризации и штарковского сдвига по энергии. С ростом внешнего магнитного поля происходит сжатие Б--орбитали в сечении узкого горла КС, что приводит к слабой чувствительности энергии связи Б~-состояния к внешнему продольному электрическому полю (сравн. кривые 1 и 4 на рис. 16).

В дипольном приближении проведен расчёт коэффициента поглощения при фотоионизации Б"-центра в КС во внешних продольных электрическом и магнитном полях с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. На рис. 2а, б представлены рассчитанные кривые спектральной зависимости коэффициента примесного поглощения света для 1п8Ь КС.

75

I

165

55

45 О I 2 3 4 5 6 7 "О 10 20 30 40 50

В, Тл Ео. кВ/'см

Рис. 1. Зависимость энергии связи ГУ-состояния в 1п$Ь КС от величины внешнего магнитного поля В (а) и внешнего электрического поля Е0 (б)- а _ для различных значений напряжённости внешнего электрического поля Е0, кВ/см. 1 - 0; 2 - 10; 3 - 20; 4 - 50; б - для различных значений величины внешнего магнитного поля В, Тл: 1 — 0; 2 — 1; 3 — 2; 4 — 3, при Ь = 65 нм (радиус КС); 1]ц = 0,2 эВ (амплитуда удерживающего потенциала в радиальном направлении КС); £* = 20 (эффективная длина КС в боровских единицах).

Как видно из рис. 2, для спектральной зависимости коэффициента примесного поглощения света характерны квантово-размерные эффекты Зеемана и Штарка (сравн. кривые 1 и 3, 1 и 2 на рис. 2а,6), что дает возможность эффективно управлять краем полосы примесного поглощения света в КС путём вариации величин внешнего магнитного и электрического полей. Из сравнения кривых на рис. 2а и 26 видна существенная зависимость края полосы примесного поглощения от эффективной длины КС.

Рис. 2. Спектральная зависимость коэффициента примесного поглощения света в 1пЗЬ КС, при 11о = 0,2 эВ; Ь = 65 нм: а — £* = 10; б - £ =5; для различных значений величин В и Ео: 1 -В = 0 Тл; Е0 = 0 кВ/см; 2 -В = 0 Тл; Е0 = 20 кВ/см; 3 -В = 5 Тл; Е0 = 0 кВ/см.

На рис. 3 представлена зависимость коэффициента примесного поглощения света в КС от величины внешнего магнитного поля для разных значений внешнего продольного электрического поля.

7 6

и.

1 а з

I

? а 2 и в

1

о

/\ 1Л л! А л.

\/\ /V

•ч/ ч\[/ \ ; "ч *

ы. \

N л

1

Рис. 3. Зависимость коэффициента примесного поглощения света в КС от величины внешнего магнитного поля В (Д) = 0,2 эВ; Ь = 65 нм; Ра = = °;Х* = 10;

Ьш = 80 мэВ) для различных значений напряженности внешнего электрического поля Е0, кВ/см: 1 - 0; 2 - 20; 3 - 30.

Видно, что искомая зависимость имеет пилообразный характер, при этом максимум поглощения достигается всякий раз, когда разность энергий дна квантованной подзоны и энергии примесного уровня в КС становится сравнимой с энергией фотона. Видно также, что во внешнем электрическом поле период осцилляций уменьшается, а их амплитуда увеличивается (сравн. кривые 2 и 3 на рис. 3) вследствие квантово-размерного эффекта Штарка.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию электронного транспорта, связанного с ЭФУ при внутризонных оптических переходах в КП с КД в продольном магнитном поле. Удерживающий потенциал КП моделировался потенциалом двумерного гармонического осциллятора. Для описания электрических свойств КД использовалась модель Бонч-Бруевича и Когана [2], согласно которой экранированный потенциал заряженной

дислокации имеет вид: и(рг) = е2/0Х // > гДе е - величина

заряда электрона; /0* - вероятность заполнения акцепторных центров в

дислокационной линии; а* - расстояние между акцепторными центрами в

дислокационной линии; е — диэлектрическая проницаемость материала КП; еа

- электрическая постоянная; К0 (х) - функция Макдональда; р, - + У2 ; Ад = ^££0квТ / (е2п ) - длина экранирования Дебая; кп - постоянная Больцмана;

пе - концентрация электронов в КП. В борновском приближении в рамках модели Бонч-Бруевича и Когана получено аналитическое выражение для времени релаксации импульса при рассеянии электронов на КД в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля. Исследована энергетическая зависимость времени релаксации и его зависимость от внешнего магнитного поля и параметров дислокационной линии. На рис. 4а, б приведены рассчитанные зависимости времени релаксации от кинетической энергии налетающего на КД электрона для случая ГпБЬ КП. Как видно из рис. 4а, в магнитном поле уменьшается период осцилляций в энергетической зависимости времени релаксации, при этом величина времени релаксации возрастает вследствие гибридного квантования (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 4«), Из рис. 46 можно видеть, что с ростом вероятности заполнения акцепторных центров в дислокационной линии время релаксации уменьшается из-за увеличения заряда КД и соответствующего усиления ее рассеивающего действия.

о 50 100 150 200 250 0 30 60 90 120 !50

Ь.юВ Е»юВ

Рис. 4. Зависимость времени релаксации т от кинетической энергии Ez налетающего на краевую дислокацию электрона для InSb КП при % = 0,65 нм; п„ =5-1016 см"3; U0 = 0,2 эВ; Lx = 50 нм; Lz = 1 мкм; Т = 65 К: а — для различных значений величины внешнего магнитного поля В: 1-В = 0;2-В = 2Тл (/„*= 0,15); б - для различных значений вероятности заполнения акцепторных центров в дислокационной линии f*: 1 - 0,12; 20,15; 3-0,17.

В этой же главе рассчитана температурная зависимость подвижности электронов при рассеянии на КД в КП при наличии внешнего продольного

магнитного поля. Проведено сравнение полученных результатов с влиянием

других механизмов рассеяния известных из литературных источников [3,4]. На

рис. 5 представлены рассчитанные температурные зависимости подвижности

электронов для СаАв КП при рассеянии на ЬА-фононах [3] (кривая 1), на

флуктуациях толщины КП [4] (кривая 2) и на КД.

Рис. 5. Температурная зависимость подвижности электронов ц в ОаЛз КП при П = 4,16 -1017 см"3; 2Ьх = 7 нм; = 1 мкм;

ао = нм> Ь = 0>'5, для различных механизмов рассеяния: 1 — рассеяние на ЬА-фоно-нах [3]; 2 - рассеяние на флуктуациях толщины КП [4]; 3-6 - рассеяние на краевой дислокации (кривые 1-3, 5-6 построены при В = О Тл; кривая 4 при В = 2 Тл, кривая 5 построена

при /0 = 0,06, кривая 6 при /0 = 0,08).

Из рис. 5 следует, что вклад механизма релаксации связанного с рассеянием электронов на КД зависит от величины параметра /0 - вероятность заполнения акцепторных центров в дислокационной линии (сравн. кривые 5 и 3). При /0* = 0.08 данный механизм в области температур от 5 до 30 К может быть существенным в сравнении с рассеянием на акустических фононах и на случайных неровностях границ КП (сравн. кривые 1, 2 и 3). В области температур от 50 до 100 К рассмотренный механизм становится эффективным по сравнению с рассеянием на ЬА-фононах при /3' = 0.15 (сравн. кривые 1 и 4 на рис. 6).

Рис. 6. Температурная зависимость подвижности электронов ц в ОаЛз КП при Пс = 4.10 • 10" см"3; 2Ьх = 7 нм; Ьг = 1 мкм: 1 -рассеяние на ЬА-фононах [3]; 2-6 - рассеяние на краевой дислокации (кривые 1-3, 6 построены при В = 0 Тл; кривая 5 при В = 2 Тл) для различных значений параметров дислокационной линии % и : 2 - % = 0,65 нм; /0' = 0,15; 3 - % = 0,65 нм; /0" = 0,12 ; 4 - а* = 0,5 нм; /„' = 0,15; 5 - % = 0,65 нм; /0* = 0,15; 6 - % = 0,65 нм; =0,11.

В магнитном поле подвижность электронов уменьшается за счёт сжатия электронной волновой функции в радиальной плоскости КП (сравн. кривые 3 и 4 на рис. 5 и кривые 5 и 4 на рис. 6). Решение задачи о ЭФУ электронов в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля основано на кинетическом уравнении Больцмана, записанном в приближении времени релаксации. Генерационный член этого уравнения определяется внутризонными оптическими переходами, матричный элемент которых рассчитывается в линейном по импульсу фотона приближении. Учёт импульса света приводит к асимметрии в распределении носителей заряда в пространстве квазиимпульса, т.е. к образованию тока увлечения (ТУ). В режиме короткого замыкания получено аналитическое выражение для плотности ТУ и исследована его спектральная зависимость для разных механизмов рассеяния электронов. На рис. 1а, б, в показаны рассчитанные спектральные зависимости плотности ТУ при рассеянии электронов на КД в продольном магнитном поле.

б / /

/ / / /

; / / /

/ / / / /

1 ^ ' / V 1/

ч

Ьш.изВ

Рпс. 7. Спектральная зависимость плотности ТУ в ОаАэ КП (в относительных единицах): а — для различных значений величины внешнего магнитного поля В: 1 — В = 2 Тл; 2 - В = 3 Тл (/„*= 0,15;о* = 0,65 нм; и0 = 0,2

эВ; Ьх = 50 нм; Ьг = 1 мкм; Т = 7 К); б — для различных значений вероятности заполнения акцепторных центров в дислокационной

линии ¡1: 1 - /0* = 0,15; 2 - /0* = 0,12 (а0* =

0,65 нм; В = 2 Тл; и0 = 0,2 эВ; Ьх = 50 нм; 1^=1 мкм; Т = 7 К); в — для различных значений расстояния между акцепторными центрами в дислокационной линии аа: 1 - а* = 0,65 нм; 2 - а* = 0,50 нм (/' = 0,15; В = 2 Тл; и0 = 0,2 эВ; = 50 нм; = 1 мкм; Т = 7 К).

Как видно из рис. 7, для спектральной зависимости плотности ТУ характерен квантово-размерный эффект Зеемана. При этом положение пиков в дублете существенно зависит от величины внешнего магнитного поля (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 7а). Из рис. 7б можно видеть, что с ростом вероятности заполнения акцепторных центров в дислокационной линии амплитуда пиков в дублетах Зеемана уменьшается из-за увеличения заряда КД и соответствующего усиления ее рассеивающего действия. Аналогичная ситуация имеет место с уменьшением расстояния между акцепторными центрами в дислокационной линии (см. рис. 7в). Из рис. 8 следует, что форма пиков в дублетах Зеемана в спектральной зависимости плотности ТУ в КП существенно зависит от механизма рассеяния электронов.

Рис. 8. Спектральная зависимость плотности ТУ (в относительных единицах) в ОаАв КП при рассеянии электронов: 1 - на КД; 2 - на системе короткодействующих потенциалов примесей; 3 — на продольных акустических (Т,А) фононах, при ио = 0,2 эВ; Ьх = 50 нм; Ьг = 1 мкм; Т = 7 К; /0*= 0,15; а0 = 0,65 нм; Р = 5,3 ■ 103 кг/м3; V = 5,2-103 м/с; С = 2,2-10"18 Дж; В = 2 Тл.

На рис. 9 приведена рассчитанная температурная зависимость плотности ТУ для ОаАэ КП при рассеянии электронов на КД. Можно видеть, что температурная зависимость плотности ТУ имеет максимум, который с ростом величины внешнего продольного магнитного поля смещается в область более высоких температур. Наличие максимума обусловлено влиянием изменения зарядового состояния КД за счёт тепловой ионизации акцепторных центров (величина плотности ТУ возрастает) и теплового движения (величина плотности ТУ уменьшается).

Рис. 9. Зависимость плотности ТУ (в относительных единицах) от температуры в ОаАэ КП при рассеянии электронов на КД при и0 = 0,2 эВ; Ь2 = 1 мкм; /¡и - 28 мэВ; /0" = 0,15; а0 = 0,65 им: 1 -В= 1 Тл;2 — В = 3 Тл.

В третьей главе диссертации теоретически исследуется возможность

использования ЭФУ на внутризонных оптических переходах в КП при наличии

внешнего продольного магнитного поля для разработки детекторов лазерного

излучения с управляемой фоточувствительностью. Рассматриваемая модель

детектора лазерного излучения представляет собой массив КП в

диэлектрической матрице. Получено основное уравнение детектора на основе

эффекта фотонного увлечения с учетом дисперсии радиуса КП, описываемой

функцией гауссова типа. На рис. 10 представлена рассчитанная зависимость

фоточувствительности детектора лазерного излучения от величины внешнего

магнитного поля для разных механизмов рассеяния электронов в КП.

Рис. 10. Зависимость фоточувствительности детектора лазерного излучения на основе массива GaAs КП от величины внешнего магнитного поля В для различных механизмов рассеяния электронов: 1 - на КД; 2 - на системе короткодействующих потенциалов примесей; 3 — на продольных акустических (LA) фононах, при п. =7-10" см"3 (концентрация электронов в KIT); 2Lx =

3 4 5

в>Тл 7 нм (радиус КП); Lz = 1 мкм (длина

КП); Т = 7 К; /0* = 0,15; aj = 0,50нм; р = 5.3 -103 кг/м3 (плотность материала КП); v = 5.2103 м/с (скорость звука в КП); С = 2.210"18 Дж (константа деформационного потенциала); Л = 10,6 мкм (длина волны света); р0 = 3 • 10"5 Ом м (удельное сопротивление материала КП); /0 • Tuj = Ю10 Вт/м2; (70 - интенсивность света; hui -энергия фотона).

Из рис. 10 видно, что фоточувствительность падает с ростом величины внешнего магнитного поля, что связано со смещением порога ЭФУ в коротковолновую область спектра. Из рис. 10 следует, что фоточувствительность детектора лазерного излучения в большей степени ограничена процессами рассеяния на дефектах кристаллической решётки. Уровень современной технологи позволяет избавиться от дефектов кристаллической структуры, имеются также подходы к разработке методики управления электрон-фононным взаимодействием в КП [5], что делает структуры из КГТ достаточно перспективными для разработки на их основе детекторов лазерного излучения.

Основные результаты и выводы

1. Методом потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы исследовано влияние внешних продольных электрического и магнитного полей на энергию связи О^-состояния в КС, удерживающий потенциал которого в радиальном направлении моделировался потенциалом двумерного гармонического осциллятора, а в г-направлении - потенциалом «перевернутой параболы». Показано, что в КС, находящемся во внешнем магнитном поле, продольное электрическое поле подавляет эффект магнитного вымораживания □"-состояний вследствие электронной поляризации и штарковского сдвига по энергии. Теоретически исследован процесс фотоионизации ^-центра, расположенного в сечении узкого горла КС при наличии внешних продольных электрического и магнитного полей. В дипольном приближении получена аналитическая формула для коэффициента примесного электро- и магнитооптического поглощения в КС с учетом лоренцева уширения энергетических уровней. Показано, что для спектральной зависимости коэффициента примесного поглощения света характерны квантово-размерные эффекты Зеемана и Штарка. Выявлена возможность эффективного управления краем полосы примесного поглощения света в КС путём вариации величин

внешнего магнитного и электрического полей. Показано, что внешнее продольное электрическое поле приводит к росту амплитуды осцилляций и уменьшению их периода на зависимости коэффициента примесного поглощения света от величины внешнего продольного магнитного поля в КС из-за штарковского сдвига по энергии.

2. Теоретически исследован электронный транспорт в КП с КД в продольном магнитном поле. В борновском приближении в рамках модели Бонч-Бруевича и Когана получена аналитическая формула для времени релаксации импульса при рассеянии электронов на КД в КП с параболическим удерживающим потенциалом при наличии внешнего продольного магнитного поля. Показано, что энергетическая зависимость времени релаксации имеет осциллирующий характер, при этом период осцилляций уменьшается во внешнем продольном магнитном поле, а величина времени релаксации возрастает вследствие гибридного квантования. Рассчитана температурная зависимость подвижности электронов при рассеянии на КД в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля. Показано, что с ростом температуры подвижность электронов в КП достаточно медленно убывает, что связано с изменением зарядового состояния КД. Найдено, что механизм рассеяния электронов на КД может быть существенным в сравнении с рассеянием электронов на ЬА-фононах и на случайных неровностях границы КП. Показано, что температурный интервал, в котором дислокационный механизм рассеяния эффективен, определяется величиной вероятности заполнения акцепторных центров в дислокационной линии.

3. Теоретически исследован нелинейный оптический эффект в КП — ЭФУ электронов при внутризонных оптических переходах в КП с КД в продольном магнитном поле. В линейном по импульсу фотона приближении получена аналитическая формула для плотности тока фотонного увлечения и исследована его спектральная зависимость для трёх возможных механизмов релаксации импульса электронов: при рассеянии на ЬА-фононах, на системе

короткодействующих примесей и на КД. Показано, что для спектральной зависимости плотности тока характерен дублет Зеемана, форма пиков в котором зависит от механизма рассеяния электронов в КП. Выявлена чувствительность пиков в дублете Зеемана к таким параметрам дислокационной линии, как вероятность заполнения акцепторных центров и расстояние между ними в дислокационной линии. Показано, что на температурной зависимости плотности тока фотонного увлечения имеется максимум, который с ростом величины внешнего магнитного поля смещается в область более высоких температур. Теоретически исследована возможность использования ЭФУ на внутризонных оптических переходах в КП в продольном магнитном поле для разработки детекторов лазерного излучения с управляемой фоточувствительностью. Установлено, что фоточувствительность детектора лазерного излучения на основе массива КП в большей степени ограничена процессами рассеяния на дефектах структуры и состава кристаллической решётки.

Цитируемая литература

1. Соболев Н. А. Инженерия дефектов в имплантационной технологии кремниевых светоизлучающих структур с дислокационной люминисценцией (обзор) / Н. А. Соболев // ФТП. - 2010. - Т. 44. - Вып. 1. - С. 3-25.

2. Бонч-Бруевич В. Л. К теории электронной плазмы в полупроводниках / В. Л. Бонч-Бруевич, С. М. Коган // ФТТ. - 1959. - Т. 1. -Вып. 8. - С. 1221-1224.

3. Поклонский Н. А. О температурной зависимости статической электропроводнисти полупроводниковой квантовой проволоки в изоляторе / Н. А. Поклонский, Е. Ф. Кисляков, С. А. Вырко // ФТП. - 2003. - Т. 37. -Вып. 6. - С. 735-737.

4. Рувинский М. А. О влиянии флуктуаций толщины на статическую электропроводность квантовой полупроводниковой проволоки / М. А. Рувинский, Б. М. Рувинский//ФТП.-2005.-Т. 2.-Вып. 2.-С. 247-250.

5. Кибис О. В. Влияние конфигурации квантовой проволоки на электрон-фононное взаимодействие / О. В. Кибис // ФТТТ. - 1999. — Т. 33. — Вып. 10. - С. 1232-1234.

Основные публикации по теме диссертации

1. Калинин В. Н. Энергетический спектр Б~-центра в квантовом сужении при наличии внешних электрического и магнитного полей / В. Д. Кревчик, В. Н. Калинин, Б. Н. Калинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2013. — №1(25).-С. 91-99.

2. Калинин В. Н. Подвижность электронов в квантовой проволоке с краевой дислокацией во внешнем магнитном поле / В. Д. Кревчик,

B. Н. Калинин, Е. Н. Калинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2014. — № 1 (29). —

C. 167-179.

3. Калинин В. И. Влияние механизма релаксации импульса элетронов на фотомагнптный эффект в квантовой проволоке / В. Д. Кревчик, В. Н. Калинин, Е. Н. Калинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2014. — № 3 (31). — С. 193-202.

4. Калинин В. Н. Фотомагнитный эффект в квантовой проволоке с одномерной сверхрешёткой из потенциалов нулевого радиуса в продольном магнитном поле / В. Н. Калинин, В. А. Гришанова, С. А. Лакомкин, А. В. Разумов // Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем: сборник статей VI Международной научно-технической конференции. — Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011—С.114-117.

5. Калинин В. Н. Особенности температурной зависимости подвижности электронов в квантовой проволоке с краевой дислокацией во внешнем продольном магнитном поле / В. Д. Кревчик, В. Н. Калинин, Е. Н. Калинин // Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и

20

социальных проблем: сб. ст. VIII Междунар. науч.-техн. конф. молодых специалистов, аспирантов и студентов. — Пенза: Изд-во III У, 2014. — С. 222228.

6. Калинин В. Н. Фотомагнитный эффект при внутризонных оптических переходах в квантовой проволоке с краевой дислокацией / В. Н. Калинин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2014. - № 2 (6). — С. 8289.

7. Калинин В. Н. Эффекты влияния внешних электрического и магнитного полей на спектры фотоионизации D^-центра в квантовом сужении / В. Н. Калинин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2014. -№2(6).-С. 75-81.

8. Калинин В. Н. Особенности электронного транспорта в квантовой проволоке с краевой дислокацией в продольном магнитном поле / В. Д. Кревчик, В. Н. Калинин, Е. Н. Калинин // Актуальные вопросы современной науки: Материалы XXIV Международной научно-практической конференции: Сборник научных трудов. — М.: Издательство «Перо», 2014.- С. 99-101.

9. Vladimir Krevchik, Vladimir Kalinin, Eugene Kalinin. The Mobility of Electrons in a Quantum Wire with Edge Dislocation in a Magnetic Field // International Journal of Nanoscience and Nanoengineering. Vol. 1, No. 1, 2014, pp. 17-21.

Подписано в печать 11.10.2014 г. Формат 60x84/16. Бумага ксероксная. Печать трафаретная. Усл.п.л. 1,4.Тираж 100 экз. Заказ № 11/10.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ИП Соколова А. Ю. 440600, г.Пенза, ул. Московская, 74, ком. № 220. Тел.: (8412) 56-37-16.