Оптические свойства наноструктур полупроводник-диэлектрик

• Автор: Черноуцан, Кирилл Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Квазинульмерные и квазиодномерные полупроводниковые структуры:
особенности свойств экситонов; механизмы релаксации энергии возбужденных
носителей, методы изготовления (литературный обзор)
§ 1. Экситоны в квазинульмерных и квазиодномерных полупроводниковых
структурах. Эффект диэлектрического ограничения экситонов
§ 2. Методы изготовления квазинульмерных и квазиодномерных
полупроводниковых структур
§ 3. Механизмы внутризонной релаксации возбужденных носителей в объемном
полупроводнике и полупроводниковых структурах пониженной размерности.
Эффект замедления внутризонной релаксации носителей высокой
плотности
§ 4. Механизмы излучательной и безызлучательной рекомбинации экситонов при
их высокой плотности в объемном полупроводнике и полупроводниковых
структурах пониженной размерности
Глава 2. Оптические свойства экситонов в квантовых нитях полупроводник (1пР)
- диэлектрик (хризотил асбест)
§ 1. Схема экспериментальной установки и результаты эксперимента
§ 2. Обсуждение результатов эксперимента

Глава 3. Кинетика люминесценции пористого 1пР
§ 1. Схема экспериментальной установки и результаты эксперимента
§ 2. Обсуждение результатов эксперимента
Глава 4. Разрешенные во времени спектры люминесценции пористого 8І
§ 1. Механизмы излучательной рекомбинации в пористом 8 і
§ 2. Схема экспериментальной установки и результаты эксперимента
§ 3. Обсуждение результатов эксперимента
Заключение
Список литературы.

Введение
Актуальность работы. В объемных полупроводниках влияние экситонов
Ванье-Мотта на оптические свойства проявляется обычно только вблизи края
зоны поглощения, а при комнатных температурах из-за малой энергии связи эти
экситоны термически распадаются. В то же время в полупроводниковых
квантовых нитях, структурах, в которых экситоны и электроны могут свободно
двигаться только в одном направлении, экситонные переходы начинают
доминировать в спектрах поглощения и люминесценции. В квантовых нитях,
вследствие ограничения движения, уменьшается среднее расстояние между
электроном и дыркой, что приводит к увеличению энергии их кулоновского
взаимодействия и, значит, энергии связи экситонов. В типичных
полупроводниковых квантовых нитях размерное квантование может приводить к
увеличению энергии связи экситона в несколько раз (до 20-30 мэВ) по сравнению
с соответствующим объемным полупроводником. Энергию связи экситона можно
значительно увеличить, если заменить барьерный полупроводниковый материал
квантовой нити на изолятор с малой диэлектрической проницаемостью. В такой
системе "диэлектрическое усиление" экситонов связано с концентрацией I
кулоновской энергии взаимодействия электрона и дырки в диэлектрике (силовые линии электрического поля, соединяющие электрон и дырку, частично, а для тонких нитей - в основном, проходят через диэлектрик). Аналогичными причинами определяется существенная зависимость положения экситонных уровней в полупроводниковых квантовых точках (структурах, в которых движение носителей ограничено по всем возможным направлениям) от значения диэлектрической константы окружающей среды. Таким образом, изучение полупроводниковых наноструктур, окруженных диэлектриком (ниже структуры
данного типа будут обозначаться - наноструктуры "полупроводник -диэлектрик"), привлекательно не только из-за особенностей электронных и экситоиных свойств, но и из-за перспективности их использования в электронике и оптоэлектронике: подбирая материал полупроводниковой наноструктуры и окружающего ее барьера, возможно в широких пределах менять положение экситонных уровней в наноструктурах - осуществлять "инженерию кулоновского взаимодействия".
Цель работы заключалась в исследовании линейных и нелинейных оптических свойств наноструктур полупроводник (1пР) - диэлектрик, а также в изучении механизмов излучательной рекомбинации пористого 81, который представляет из себя набор окруженных диэлектрической средой наноструктур 81.
Значительные трудности в деле исследования процессов рекомбинации экситонов и внутризонной релаксации носителей в полупроводниковых наноструктурах создают короткие времена протекания первых (~ 10-9 -г 10-11 с) и очень короткие, лежащие в субпикосекундном масштабе, времена протекания вторых. Кроме того, изучение свойств экситонной рекомбинации осложнено существенным влиянием, которое оказывает на оптические свойства наноструктур их сильно развитая поверхность. В частности, люминесценция, обусловленная переходами между поверхностными состояниями или свечением образовавшихся на поверхности химических соединений полупроводника, и люминесценция, определяемая излучательной рекомбинацией экситонов, может лежать в близких или даже перекрывающихся спектральных диапазонах. В свете вышесказанного, для изучения оптических свойств наноструктурур полупроводник - диэлектрик в настоящей работе, во-первых, применялись ультракороткие импульсы света для возбуждения люминесценции и, во-вторых, использовались как спектральные, так
2. Экситон-электронное взаимодействие. При столкновении экситона и электрона, экситон с высокой вероятностью аннигилирует, что сопровождается испусканием фотона с энергией [69]

По) = Е~Еех- ~-у (1.4.2)
2 те
где к - волновой вектор экситона, те -эффективная масса электрона.
Для скорости изменения концентрации экситонов и неравновесных носителей при наличии экситон-экситонного и экситон-электронного взаимодействий могут быть записаны следующие кинетические уравнения [70]:
~ УехПе ~ стчх " ~ - Впепех ~ пех ’ (1 -4-3)
ей - ' Тех
~±- = ё - (у ех + /)Пе + Шех ~~ + “ СПех > (1-4.4)
ей Те е 2
где пе - концентрация неравновесных носителей, пех - концентрация
экситонов, д - скорость, генерации электронно-дырочных пар. Член у ехпх
описывает процесс связывания неравновесных носителей в экситоны, апех-
Псгх
процесс тепловой диссоциации экситонов, —1— процесс линеинои аннигиляции

экситонов с характерным временем тех, Впепех - процесс экситон-электронного взаимодействия, Сп]х - процесс экситон-экситонного взаимодействия, у-прямую излучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар (уех ,а, В, С,у - соответствующие кинетические коэффициенты).
Из кинетических уравнений видно, что при наличии экситон-экситонного и/или экситон-электронного взаимодействий с увеличением уровня возбуждения и, следовательно, концентрации экситонов и неравновесных электронов, эмиссия