Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Оптика наноструктур_ГОИ_326с_2005.pdf
Скачиваний:
501
Добавлен:
24.03.2015
Размер:
7.11 Mб
Скачать

144 Е.Л. Ивченко

"N; = DN

e2

(3.133)

 

;

 

 

B

 

где безразмерный коэффициент DN стремится к конечному значению при

уменьшении отношения a= B, в частности D0 → =2. [17] Таким образом, энергия (3.132) растет линейно с увеличением B благодаря квантованию Лан-

дау и содержит дополнительный отрицательный вклад, пропорциональный

B и возникающий из-за кулоновского взаимодействия.

3.5. Вторичное свечение гетероструктур

В полупроводниках в зависимости от характера излучательных процессов различают люминесценцию собственную, несобственную и экситонную. Собственная, или зона-зонная, люминесценция обусловлена рекомбинацией свободных электронов и дырок. Несобственная, или примесная, люминесценция возникает при излучательной рекомбинации свободного электрона с дыркой, связанной на акцепторе, или свободной дырки со связанным на доноре электроном, а также при излучательной донорно-акцепторной рекомбинации или оптических переходах между энергетическими уровнями одного и того же примесного центра. Экситонная люминесценция формируется в результате рекомбинации экситонов, свободных, связанных на примеси или локализованных. Среди других экситонных механизмов вторичного свечения отметим также экситон-поляритонную, биэкситонную и трионную люминесценцию. Если кинетическая энергия свободных носителей или экситонов, вовлеченных в рекомбинационное излучение, существенно превышает тепловую энергию, вторичное свечение называется горячей люминесценцией.

Низкотемпературная люминесценция структур с квантовыми ямами обычно связывается с излучательной рекомбинацией экситонов, локализованных на шероховатостях интерфейсов и флуктуациях состава твердого раствора. Флуктуации в ширине ямы и составе модулируют сверхструктурный потенциал и порождают локализованные состояния, формируя хвост локализованных экситонных состояний. Если туннельные прыжки между локализованными состояниями неэффективны, то форма полосы фотолюминесценции определяется полностью плотностью этих состояний. В режиме многократных прыжков заселенность хвоста экситонных состояний, а значит, и спектр фотолюминесценции формируются в результате конкуренции между экситонной рекомбинацией и индуцированным акустическим фононом переходом с верхних на нижние локализованные уровни.

При умеренно высоких температурах экситоны делокализуются и характеризуются квазиравновесным больцмановским распределением

f (K) = C exp (−~2K2=2MkBT ) ;

где K— 2D-волновой вектор экситона, kB — постоянная Больцмана, нормировочный коэффициент C пропорционален T N, N — 2D-концентрация экситонов. Следовательно, эффективное излучательное время жизни определяется

 

 

 

 

 

 

3.

Оптика квантовых ям и сверхрешеток

145

выражением

 

 

 

 

 

 

d2K

 

−1(K ) f (K )

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

r

 

 

 

где r(K)

[2 0(K)]

1

PL

=

 

R

d2Kf (K)

;

(3.134)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

радиационное время жизни экситона. Учитывая,

 

 

что только экситоны с K< (!0=c)nb могут испускать фотоны, а экситоны с K> (!0=c)nb этим свойством не обладают, приходим к следующему соотношению для времени затухания фотолюминесценции

 

 

f (0) d2K r−1(K

)

 

PL1

RRd2Kf (K)

T :

(3.135)

При выводе предполагалось, что значение теплового волнового вектора экситона KT = (2MkBT=~2)1=2 значительно превосходит значение волнового вектора света nb!0=c.

Локализованные экситоны, их тонкая структура

Обычно оптические свойства наноструктур изучаются при освещении макроскопической области образца. Поэтому макроскопическая спектроскопия фотолюминесценции исследует большие ансамбли локализованных состояний в квантовых ямах. В этом случае узкие спектральные особенности индивидуальных квазиодномерных экситонов скрыты в спектральном пике фотолюминесценции, неоднородно уширенном и сглаженном. В настоящее время в спектроскопии фотоили катодолюминесценции появилась возможность зондировать всего несколько центров локализации с использованием техники микронного и даже субмикронного разрешения в комбинации с высоким спектральным и временным´ разрешением. Это достигается или путем уменьшения размера лазерного пятна на образце, или за счет уменьшения области образца, доступной для освещения, например покрытием полупроводниковой структуры тонкой непрозрачной металлической пленкой и созданием в пленке круглых отверстий малого диаметра [19]. Эта новая измерительная методика получила название микроспектроскопии.

С учетом спина свободных носителей основное состояние экситона n = 1 вырождено даже для простых зон. Для прямозонных экситонов в -точке вырождение основного состояния равно произведению чисел вырожденных состояний в точке k = 0 зоны проводимости и валентной зоны. При преобразованиях симметрии волновые функции вырожденного основного состояния преобразуются по представлению Dexc = e × h, где представленияe и h характеризуют симметрию электронных и дырочных состояний в точке экстремума. Представление Dexc приводимо и может быть разложено на неприводимые представления группы симметрии рассматриваемой системы, объемного материала или наноструктуры. Электронно-дырочное обменное взаимодействие частично снимает вырождение экситонных состояний и приводит к расщеплению экситонного уровня 1s на подуровни, отвечающие неприводимым представлениям.

146 Е.Л. Ивченко

Мы рассмотрим здесь тонкую структуру нульмерных экситонов, сосредоточившись на анизотропном расщеплении радиационного дублета тяжелого экситона e1 − hh1(1s), локализованного на флуктуациях ширины квантовой ямы типа I или на одном из интерфейсов в гетероструктуре типа II. В структурах, выращенных вдоль оси z ‖ [001], обменные расщепления для обоих типов экситонов описываются единой матрицей обменного взаимодействия. В базисе экситонных состояний |1 ; | − 1 ; |2 ; | − 2 эта матрица имеет вид

 

 

 

e

0

 

e−i 2 2

0

 

0

 

 

 

 

ˆ exch =

 

 

 

 

2

 

0

0

e

i 1

 

:

(3.136)

2

0

 

 

0

 

0

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

i 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0 ei 1 1 0

Здесь ±1; ±2 — проекции углового момента экситона на ось z, равные суммам проекций электронного спина s = ±1=2 и дырочного углового момента m = ±3=2; константы 0; 1; 2 соответственно описывают расщепления

экситонного квартета на дублеты | ± 1 и | ± 2 , нерадиационного дублета

на состояния (|2 ± ei 1 | − 2 )= 2 и радиационного дублета на состояния

(|1 ± ei 2 | − 1 )= 2, которые являются дипольно активными в направлении прямоугольных осей, повернутых вокруг оси z на угол 2=2 относительно фиксированных осей x и y. Заметим, что расщепление 0 сохраняется даже в приближении аксиальной симметрии, отличное от нуля значение 1 возникает с учетом тетрагональной симметрии D2d идеальной квантовой ямы, а расщепление, связанное с 2, полностью определяется пониженной симметрией потенциала, локализующего экситон. Удобно ввести частоты j ( j = 0; 1; 2),

определяемые соотношениями ~ 0

= 0, ~ 1 = 2 cos 2, ~ 2

= 2 sin 2.

Тогда матрица (3.136) для двух состояний | ± 1 принимает вид

 

exch

2

[ 1

+ i 2

0

]

 

ˆ

=

~

 

0

1 − i 2

:

(3.137)

 

 

 

Рисунок 3.5 иллюстрирует зависимости энергии и обменного расщепления основного и возбужденных состояний локализованного экситона от размера островка, или флуктуации ширины ямы. За пределами островка квантовая яма состоит из целого числа N мономолекулярных слоев (в GaAs ширина

= : ˚

монослоя a0 2 = 2 8 A), один из интерфейсов является плоским, а второй интерфейс в области островка сдвинут на монослой в сторону барьера, т.е. в этой области ширина ямы равна (N + 1)a0=2. Островок выбран в форме прямоугольника, ориентированного вдоль осей x и y. По оси ординат на рис. 3.5a отложена энергия локализованного экситона Enn, отсчитанная от энергии свободного 2D-экситона в идеальной яме шириной (N + 1)a0=2. Вследствие дальнодействующего обменного взаимодействия уровень Ennрасщепляется на два подуровня Enn;x; Enn;y, поляризованные вдоль осей x и y соответственно. Знак расщепления 2 ≡ Enn;x − Enn;y в основном определяется знаком разности между средними квадратами Kx2 и Ky2 . При n = nрасщепление уровня Ennотрицательно, если Ly < Lx, и положительно, если Ly > Lx, что

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

147

согласуется с кривыми 11 и 22 на рис. 3.5b. По мере роста квантового числа n (или n) дисперсия Kx2 (или Ky2 ) возрастает. Поэтому при близких размерах Lx и Ly знаки разностей Enn;x − Enn;y и n −nсовпадают. Если стороны прямоугольного островка развернуть вокруг относительно фиксированных осей x; y на угол , в спиновом гамильтониане (3.136) угол 2 становится отличным от нуля и равным 2 .

В работе [19] изучена фотолюминесценция структур с квантовой ямой GaAs/AlGaAs в режиме ближнего поля и измерен спектр вторичного излучения одиночной квантовой точки, сформированной большим мономолекулярным островком. При этом впервые удалось обнаружить тонкую структуру основного и возбужденных состояний локализованного экситона. Каждый из обнаруженных экситонных уровней состоял из двух подуровней, линей-

но поляризованных в ортогональных направлениях [1¯0] и [110]. Величина

1

расщепления подуровней зависела от номера уровня и менялась в пределах

± (20 − 50) мкэВ. Последовательность знаков расщепления для основного и четырех возбужденных уровней, наблюдаемая в [19], воспроизводится на

˚

рис. 3.5b для значений Ly, лежащих между 420 и 480 A.

Оптическая ориентация спинов свободных носителей и угловых моментов экситонов

В последние годы возник большой интерес к спинтронике, нацеленной на изучение роли электронных спинов в физике твердого тела и влияния на спиновую динамику электрического и магнитного полей, а также на создание электронных приборов, использующих спиновую степень свободы. По той же причине интерес представляет и поведение не только электронных, но и дырочных или экситонных спинов в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах.

Принципы оптической ориентации

Начиная с пионерской работы Лампеля [20] оптическая ориентация спинов свободных носителей и экситонов стала эффективным методом бесконтактного неразрушающего исследования зонных и кинетических параметров полупроводников. Суть этого метода заключается в наблюдении зависимости поляризации фотолюминесценции от состояния поляризации возбуждающего света. Вначале сформулируем основные принципы оптической ориентации свободных носителей, а затем обсудим особенности поляризованной люминесценции экситонов.

Принцип 1. При междузонном оптическом возбуждении циркулярно поляризованным светом проекция ±1 углового момента циркулярно поляризованного фотона ± преобразуется в ориентированный угловой момент (или спин) фотоносителя.

В условиях стационарного возбуждения уравнения кинетики для плотностей n+ и nэлектронов со спином (или 1=2) и (или −1=2) имеют простой вид

для степени спиновой поляризации электронов. Тогда решение уравнений (3.138) можно представить в виде n = g 0 и p = p0(T=0), где

148

Е.Л. Ивченко

 

 

 

 

 

 

 

 

n+

 

+

1

 

(n+ − n) = g+ ;

(3.138)

 

 

0

2 s

 

 

 

n

+

1

 

(n− n+) = g:

 

 

 

 

0

 

2 s

 

Здесь g± — скорости фотогенерации, 0 — время жизни фотоэлектронов в зоне проводимости, s — время их спиновой релаксации. Введем обозначения: n = n+ +nдля полной концентрации фотоэлектронов, g = g+ +gдля полной скорости генерации, sz = (n+−n)=2 для полного среднего электронного спина

и

p =

n+ − n

(3.139)

n+ + n

 

 

p0

=

g+ − g

;

 

1

=

1

+

1

;

(3.140)

 

T

 

 

 

 

g+ + g

 

0

s

 

T — время жизни ориентированного спина фотоэлектрона.

Отсюда следует Принцип 2: если время жизни фотоэлектрона 0 не слишком длинное по сравнению со временем спиновой релаксации s, то ориентированные по спину электроны сохраняют спиновую поляризацию при стационарном возбуждении:

sz =

p0

T g =

p0

 

s 0

g :

(3.141)

 

 

 

2

2

 

0 + s

 

Начальная степень спиновой поляризации p0 пропорциональна степени циркулярной поляризации падающего света: p0 = P0c . Коэффициент пропорциональности зависит от правил отбора: для междузонных переходов 8 6 в объемном полупроводнике типа GaAs = −1=2, а для оптических переходов hh1 → e1 в структурах с квантовыми ямами на основе GaAs = −1.

Принцип 3. В силу тех же правил отбора для междузонных оптических переходов рекомбинационное излучение спин-поляризованных фотоносителей оказывается циркулярно поляризованным. Для степени циркулярной поляризации фотолюминесценции имеем

Pc = p = Pc0 2

T

:

(3.142)

 

0

 

Это уравнение справедливо для рекомбинации фотоэлектронов с неполяризованными дырками. Если степень спиновой поляризации дырок ph также отлична от нуля, то выражение для Pc имеет более сложный вид. В частности, для рекомбинации электронов e1 и тяжелых дырок hh1 в квантовой яме, т.е. при = −1, это выражение принимает вид

Pc =

ph − pe

:

(3.143)

 

1 − pe ph

 

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

149

Принцип 4. Поперечное магнитное поле приводит к деполяризации фотолюминесценции. При падении света вдоль оси z, изотропном g-факторе электрона и магнитном поле B ‖ x получаем

 

sz(0)

 

LT

 

 

sz(B) =

 

; sy(B) = −

 

sz(0)

; sx = 0 ;

(3.144)

1 + ( LT )2

1 + ( LT )2

где sz(0) — средний электронный спин в отсутствие магнитного поля, L = | L| — частота ларморовой прецессии спина в магнитном поле, равная g B|B|=~ ( B — магнетон Бора). Видно, что в поперечном поле средний спин поворачивается вокруг вектора L и деполяризуется. Такое действие магнитного поля на спин называется эффектом Ханле.

Оптическая ориентация и выстраивание экситонов в квантовых ямах

Аналогично свободным носителям экситонные спины (или угловые моменты) также можно оптически ориентировать. В отсутствие внешнего магнитного поля спин-поляризованные экситоны генерируются при циркулярно поляризованном возбуждении. Согласно (3.71) матричные элементы оптического возбуждения тяжелого экситона в базисе m = ±1; ±2 можно представить в виде

M±1 = M0(ex iey) ; M±2 = 0 ;

где e ( = x; y) — компоненты единичного вектора поляризации света,

M — постоянный коэффициент. При нормальном падении на квантовую

0 √ √

яму циркулярно поляризованного света + имеем ex = 1= 2; ey = i= 2 и M1 ex − iey , 0, M−1 ex + iey = 0, тогда как при -возбуждении M1 = 0, M−1 , 0, в согласии с законом сохранения проекции углового момента (3.72). Из этого же правила отбора следует, что рекомбинация спин-поляризованных экситонов сопровождается излучением циркулярно поляризованного света, что допускает оптическое детектирование спиновой поляризации.

Оптическая ориентация экситонных спинов является частным случаем более общего явления — селективного оптического возбуждения экситонных подуровней. Другим примером селективного фотовозбуждения является так называемое оптическое выстраивание экситонов линейно поляризованным излучением: в отличие от оптической ориентации, означающей различие в заселенности экситонных состояний |m со спином m = ±1, линейно поляри-

зованное возбуждение приводит к преимущественному заселению состояния

(|1 +ei |−1 )= 2 с определенным направлением осциллирующего дипольного момента (фаза определяется направлением плоскости линейной поляризации).

Для расчета селективного заселения экситонных подуровней решается кинетическое уравнение для спиновой матрицы плотности экситонов mm. Если экситонное состояние представлено волновой функцией = m cm m, где m

— одна из экситонных базисных функций, матрица плотности определяется как mm= cmc*m. В смешанном состоянии произведение cmc*mусредняется по

150 Е.Л. Ивченко

статистическому ансамблю. Диагональные компоненты mm определяют вероятность найти экситон в состоянии m, а недиагональные компоненты mmс m , m— корреляцию между состояниями m и m. Для чистых состояний

| mm|2 = mm mm.

Чтобы сделать рассмотрение поляризованной фотолюминесценции физически более понятным, представим здесь упрощенный подход к описанию оптической ориентации и выстраивания экситонов на языке эффективного псевдоспина. В условиях резонансного возбуждения и в отсутствие спиновой релаксации экситонов между парами состояний m = ±1 и ±2 оптически неактивные подуровни остаются незаселенными, отличны от нуля компоненты спиновой матрицы плотности экситонов mmс m; m= ±1 и экситон e1-hh1(1s) ведет себя как двухуровневая система. Напомним, что любые два квантовых уровня (или подуровня) можно рассматривать как два состояния эффективного трехмерного псевдоспина S = 1/2. Спиновая матрица плотности mm(m; m= ±1), имеющая размерность 2×2, может быть выражена через компоненты среднего псевдоспина в виде

ˆ = N

(

2

+ S ˜ )

;

(3.145)

 

 

1

 

 

 

где ˜ ( = x; y; z) — псевдоспиновые матрицы Паули и N — стационарная концентрация экситонов. Чистые экситонные состояния |1 и | − 1 эквивалентны состояниям псевдоспина, поляризованного соответственно параллельно или антипараллельно оси z. Экситонные состояния

√ √

|X = (|1 + | − 1 )= 2 ; |Y = −i (|1 − | − 1 )= 2 ;

дипольно активные в направлениях осей x и y, описываются псевдоспином

S

x

= 1=2

или

соответственно. Наконец, состояния

|

X

 

|

X

 

|

Y

 

)=

2

и

 

 

1=2

 

 

= (

 

+

 

|Y = (|X − |Y )=

2

, поляризованные вдоль направлений xи y, соответству-

ют псевдоспину с отличной от нуля компонентой S y = 1=2 или −1=2. Отсюда следует простая связь между степенями поляризации экситонной фотолюминесценции Pl; Pl; Pc и компонентами псевдоспина

Pl = 2S x ; Pl

= 2S y ; Pc

= 2S z :

 

(3.146)

Матрицу генерации экситонов Gmmдля m; m

=

±

1

можно также разложить

 

 

по матрицам Паули

 

 

Gˆ = G0 (

2

 

+ S0 ˜ )

:

 

 

 

 

 

 

(3.147)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При резонансном возбуждении имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S 0

=

1

P0

; S 0

=

1

P0 ; S

0

=

1

 

P0

;

(3.148)

 

 

 

x

2

l

y

 

2

l

z

 

2

c

 

 

где параметры Стокса P0l ; P0lи P0c характеризуют поляризацию возбуждающего света, S0 — экситонный псевдоспин в момент фотовозбуждения. Следует

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

151

отметить, что если экситоны формируются в результате связывания свобод-

ных электронов и дырок, то матрица ˆ пропорциональна произведению одно-

G

частичных спиновых матриц плотности ˆe ˆh в момент связывания электрона и дырки. В этом случае можно наблюдать только оптическую ориентацию экситонов.

Воздействие магнитного поля на поляризацию экситонного излучения также удобно интерпретировать в псевдоспиновых терминах. В частности, экситонный спин-гамильтониан (3.137) вместе с зеемановским членом в продольном магнитном поле B ‖ z сводятся к следующему гамильтониану для псевдоспина:

=

~

( ˜ x 1 + ˜ y 2 + ˜ z ‖)

;

(3.149)

2

где ~ — зеемановское расщепление состояний | ± 1 , энергия отсчитывается от ~ 0. Псевдоспин S вращается вокруг вектора = ( 1; 2; ) с эффектив-

ной ларморовой частотой, равной модулю =

2

+ 2

2

. В реальном

случае, когда

 

 

1

 

1

2

+

12 + 22

;

 

 

 

 

(3.150)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прецессия приводит к деполяризации составляющей исходного псевдоспина, перпендикулярной к вектору , тогда как компонента, параллельная , остается неизменной. Это означает, что стационарное значение S можно получить простым проектированием вектора S0 на направление вектора , т.е. S = ( S0)=| |2. Следовательно, соотношение между вторичной и исходной поляризациями можно представить как

Pi = i jP0j (i; j = l; l; c) ;

(3.151)

где матрица ˆ определена согласно

 

 

 

 

 

1

 

 

12 1 2 1 ‖

 

 

(3.152)

 

i j

 

=

 

 

 

1

 

2

2

 

2

2

:

 

 

2

+ 2

+ 2

 

 

 

 

 

1

2

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Видно, что при ненулевом анизотропном обменном расщеплении 2 продольное магнитное поле в условиях циркулярно поляризованного возбуждения восстанавливает циркулярную поляризацию фотолюминесценции и индуцирует линейную. Отсюда также следует, что при линейно поляризованном возбуждении магнитное поле приводит к двум эффектам: подавляет выстраивание и частично переводит линейную поляризацию фотолюминесценции в циркулярную.

В работе [21] вместо измерения степеней поляризации фотолюминесценции Pl, Plи Pc при фиксированном положении поляризатора использовалась модуляционная методика, в которой анализатор находится в фиксированном положении, а образец возбуждается светом, поляризация которого модулируется во времени на некоторой частоте, меняясь скачками от циркулярной или

152 Е.Л. Ивченко

линейной на ортогональную. В этом случае измеряются эффективные степени поляризации

 

 

I110

¯

 

 

I100

− I010

 

 

 

 

 

 

 

l

=

− I110

; l

=

; c

=

I

+ − I

;

(3.153)

I110

+ I110¯

I100

+ I010

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I + + I

 

 

где I обозначает интенсивность фотолюминесценции в конфигурации (; ) анализатора и поляризатора и ; — линейные поляризации вдоль осей [100],

¯

или циркулярные поляризации +; . Можно показать, что

[010], [110], [110]

в условиях резонансного возбуждения и в пренебрежении эффектами антипересечения уровней набор (3.153) совпадает со степенями поляризации Pl , Plи Pc , где указывает положение поляризатора.

На рис. 3.6 представлены зависимости c (Bz) и l (Bz), измеренные с одной из сверхрешеток GaAs/AlAs типа II в области спектрального максимума

фотолюминесценции (

˚

c

(Bz)

= 6684 A). Из рис. 3.6a видно, что степень +

в слабых полях Bz 20 Гс резко возрастает от 2.5 до 5% и затем нарастает медленнее до уровня 20% при Bz = 2.5 кГс. Рисунок 3.6b ясно демонстрирует индуцированную полем конверсию ориентация–выстраивание: c110(Bz) достигает максимального значения 5% в поле Bz 0.7 кГс и меняет знак при инверсии поля. Более того, в согласии с теорией c110(Bz) отличается зна-

ком от измеренной зависимости c ¯ (Bz). Влияние продольного магнитного

110

поля на выстраивание проиллюстрировано на рис. 3.6c. Заметим, что основное изменение l110 происходит в тех же магнитных полях Bz 0.7 кГс, что и для функции c + (Bz) на рис. 3.6a. Рисунок 3.6d подтверждает, что эффект преобразования ориентации в выстраивание обратим: экспериментальные зависимости c110(Bz) и l + (Bz) близки друг к другу.

Сплошные кривые на рис. 3.6 представляют теоретическую подгонку с использованием теории оптической ориентации экситонов, в которой учтено обменное расщепление с 1 , 0; 2 = 0 в соответствии с механизмом анизотропного обменного расщепления в короткопериодных сверхрешетках GaAs/AlAs типа II [22]. Быстрый рост c + в слабом поле связан, по-видимому, с вкладом в фотолюминесценцию пар пространственно разделенных локализованных электронов и дырок, которые характеризуются малыми значениями обменного расщепления. При подгонке этот вклад учитывается добавлением постоянного значения 5% к рассчитанной кривой c + (Bz). За исключением узкой области вблизи нуля, экспериментальные данные удовлетворительно описываются при дополнительном учете спиновой релаксации экситонов между излучательными и безызлучательными состояниями, а также с учетом потерь ориентации и выстраивания в процессе квазирезонансного фотовозбуждения [21]. Так как в сверхрешетке GaAs/AlAs типа II имеются два сорта экситонов, локализованных на противоположных интерфейсах GaAs/AlAs и AlAs/GaAs и различающихся знаком 1, рассчитанные кривые, описывающие конверсию ориентации в выстраивание и выстраивания в ориентацию, нужно умножить на фактор разбаланса

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

153

N(+) − N(−)

f = N(+) + N(−) ;

где N(±) обозначает концентрацию экситонов, локализованных на интерфейсах AlAs-на-GaAs и GaAs-на-AlAs соответственно. Таким образом, измерение индуцированной магнитным полем конверсии между циркулярной и линейной поляризациями позволяет оценить важный структурный параметр, а именно фактор разбаланса f . Кривые на рис. 3.6 рассчитаны при 2 = 1:8 мкэВ и f = 0:9. Так как в сверхрешетках GaAs/AlAs типа II частота 2 равна нулю и 1 1, теория в полном согласии с экспериментом предсказывает отсутствие оптического выстраивания экситонов при возбуждении светом, поляризованным вдоль осей [100] или [010] (у матрицы (3.152) компонента ll= 0) и отсутствие преобразования поляризации l-c или c-l

( cl= lc = 0).

Эффект Зеемана, электронный и дырочный g-факторы в квантовых

ямах и сверхрешетках

Частота электронного парамагнитного, или спинового, резонанса (сокращенно ЭПР) определяется величиной эффективного фактора Ланде, или g- фактора, для электрона. Этот важный зонный параметр описывает зеемановское расщепление спиновых подуровней электрона в магнитном поле и проявляется не только в экспериментах по ЭПР, но и в различных магнитооптических явлениях, в особенности в фотолюминесценции и рассеянии света.

В общем случае зеемановский вклад для пары крамерсово-сопряженных состояний в электронный эффективный гамильтониан разлагается по матри-

цам Паули ( = x; y; z) в виде

 

 

1

 

 

 

 

 

B =

 

 

B g B ;

(3.154)

2

 

 

 

 

 

где B — магнитное поле, B — магнетон Бора и вещественный тензор для низкосимметричной системы характеризуется девятью линейно независимыми компонентами. Частота ЭПР находится из условия ~! = B, где зеемановское расщепление спиновых подуровней равно

(

 

)

 

 

 

B = B

g B

 

2

:

(3.155)

Если система обладает аксиальной симметрией, то тензор g имеет только две линейно независимые компоненты, которые традиционно принято обозначать как

g≡ gzz ; g ≡ gxx = gyy ;

где z — главная ось системы. В этом случае выражение (3.155) сводится к

154

Е.Л. Ивченко

 

 

 

 

B = BB

 

 

 

 

 

g2 cos2 + g2 sin2

;

(3.156)

где B = |B| и — угол между B и z.

 

 

 

 

Для электрона в нижней зоне проводимости 6

в объемном полупровод-

нике с решеткой цинковой обманки (точечная симметрия Td) g-фактор изотропен: g = g . Пользуясь kp-теорией возмущений, можно показать, что

 

1

|pc+;1=2;n|2

− |pc;1=2;n|2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g ≡ gzz = g0 + m0

 

 

Ec0

En0

;

 

 

 

 

(3.157)

 

 

n,c

 

 

0

 

 

 

 

 

 

|

 

x ±

 

y|

 

 

где фактор Ланде свободного электрона

g

2,

c;s;n

=

6

ipˆ

,

 

p±

 

c

; s

 

 

n

спиновый индекс s = ±1=2 и — оператор импульса. В типичных полупроводниках с решеткой цинковой обманки основной вклад в g вносят верхние валентные зоны 8; 7 и выражение для g-фактора записывается приближенно в виде

g = g

0

4

|pcv|2

 

 

+ g ;

(3.158)

3 m0 Eg(Eg + )

 

 

 

где g — вклад далеких зон, рассматриваемый как подгоночный параметр, зонные параметры Eg; ; pcv определены в (3.23), (3.24). Используя для GaAs значения 2|pcv|2=m0 = 28.9 эВ, Eg = 1.52 эВ, = 0.34 эВ, получаем g = − 0.32, тогда как эксперимент дает gexp(GaAs) = −0:44. Это различие можно связать с вкладом далеких зон g = −0:12. Таким образом, в объемном GaAs g0 и вклад в g спин-орбитально расщепленных зон 8; 7 в значительной мере компенсируют друг друга.

Согласно (3.158) эффективный электронный фактор Ланде сильно зависит от ширины запрещенной зоны и спин-орбитального расщепления верхней валентной зоны. Величина g меняется от полупроводника к полупроводнику в широких пределах от больших отрицательных значений (например, около −50 в InSb) до −0:44 в GaAs и положительных значений g ≤ 2 в широкозонных материалах. В твердом растворе AlxGa1−xAs ширина запрещенной зоны возрастает с ростом состава x. Соответственно, g-фактор электрона обращается в нуль при некотором составе x0 ≈ 0:12 и становится положительным при x > x0. В частности, g(Al0:35Ga0:65As) ≈ 0:5.

Очевидно, выражение, аналогичное (3.157), можно использовать и для квантовых ям и сверхрешеток [23]. Однако в этом случае индекс n пробегает не только по всем зонам, но и по подзонам или минизонам, сформированным в результате размерного квантования. В то же время низкоразмерные структуры позволяют использовать альтернативные методы, учитывающие пространственное квантование электронной волновой функции [24]. Здесь мы представим два упрощенных, физически более прозрачных подхода, позволяющих делать оценки g-фактора.

В первом приближенном подходе электронный g-фактор в квантовой яме или сверхрешетке, состоящей из слоев A и B, например GaAs и AlGaAs, получается путем усреднения

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

155

где gA;B ятность

g = gAwA + gBwB ;

(3.159)

g-фактор в соответствующем объемном материале и wA;B — веронайти электрон в слое A или B,

Z

wA;B = '2e1(z) A;B(z)dz ;

A = 1 в пределах слоев A и A = 0 в слоях B, тогда как B = 1 − A. С уменьшением ширины квантовой ямы вероятность wA = 1 − wB убывает от 1 до 0 и, следовательно, электронный g-фактор меняется в пределах от gA до gB. Так как в гетероструктуре GaAs/Al0:35Ga0:65As значения gA и gB различаются знаками, электронный g-фактор должен менять знак при определенной толщине ямы. Так как gA и gB близки по абсолютной величине, их вклады в (3.159) существенно сокращаются в широкой области толщин. По этой же причине поправки, не учитываемые в (3.159), могут играть заметную роль.

Другой упрощенный метод основан на рассмотрении приближения бесконечно высоких барьеров как для электронов в зоне проводимости, так и для дырок в валентной зоне. В этом случае согласно правилам отбора (3.65) отличны от нуля только матричные элементы pcs ;vm для квантово-размерных состояний с совпадающими квантовыми числами = . Тогда для продоль-

ного и поперечного g-факторов в подзоне e1 получаем

 

 

 

 

g

‖;

= g

0

 

2

 

|pcv|2

R

 

 

;

(3.160)

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m0

 

‖;

 

 

где

3

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

R=

 

 

 

 

 

 

;

 

Eg + Ee1 + Ehh1

Eg + Ee1 + Elh1

Eg + + Ee1 + Eso1

R =

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

Eg + Ee1 + Elh1

Eg + + Ee1 + Eso1

 

Ee1; En1 — энергии размерного квантования в нижней подзоне проводимости (e1), нижних подзонах тяжелых (n = hh1) и легких (lh1) дырок и нижней подзоне, отщепленной спин-орбитальным взаимодействием (so1). Выражения (3.160) можно вывести, используя формулу (3.157) для gи аналогичную формулу

g = g0

m0

 

{

Ec0

 

 

En0

 

 

}

(3.161)

 

2

Re

pc+; =

 

n pz

;

=

 

 

 

 

 

 

 

n;c

−1 2

 

 

 

 

 

 

1 2;

 

 

n,c

для g . Если пренебречь в энергетических знаменателях Ec0 −En0 энергией размерного квантования дырки, то получим изотропный g-фактор, выражение для которого отличается от (3.157) заменой Eg на Eg + Ee1. Учитывая энергии размерного квантования En1 в соответствующих энергетических знаменателях, приходим к следующей оценке для разности поперечного и продольного g-факторов:

156

Е.Л. Ивченко

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

pcv

2

(

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

)

 

 

 

g − g=

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

(3.162)

 

 

m0

 

Eg + Ee1 + Ehh1

Eg + Ee1 + Elh1

Из (3.160, 3.162) получаем для относительной анизотропии g-фактора

 

 

 

 

 

g − g

3

 

Elh1 − Ehh1

 

Eg +

;

 

(3.163)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

Eg

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Eg(Eg + )m0 :

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1 −

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

|pcv|2

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что в гетероструктурах электронный g-фактор должен характеризоваться значительной анизотропией. Последовательный расчет электронного g-фактора подтверждает эти оценки [23, 24].

При выводе (3.160) мы рассматривали ненапряженные гетероструктуры с согласованными постоянными решетки композиционных материалов. В структурах с заметным рассогласованием нужно включить в расчет деформационные сдвиги Ec, En в зоне проводимости и валентных подзонах. В результате в приближенных выражениях (3.160) знаменатели Eg + Ee1 + En1 заменяются на Eg + Ec + Ee1 + En + En1. Таким образом, подзоны тяжелых и легких дырок расщепляются как за счет размерного квантования, так и вследствие напряжения квантовых слоев. В гетеросистеме CdTe/CdMgTe оба эффекта действуют в одном направлении, увеличивая расщепление между подзонами hh1 и lh1, а значит, и анизотропию g-фактора.

Детальные измерения поперечного g-фактора электрона проведены в

структурах с квантовыми ямами GaAs/Al

0:3

Ga

0:7

As, изучена зависимость g

 

 

 

˚

от ширины ямы a, смена знака функции g (a) происходит при a ≈ 65 A. Кро-

ме того, в соответствии с предсказаниями теории обнаружено значительное различие между компонентами gи g в гетероструктурах, выращенных на основе полупроводников как A3B5 (GaAs/AlGaAs, GaAs/AlAs, GaInAs/InP), так и A2B6 (CdTe/CdMgTe). С этой целью проводились эксперименты по оптической ориентации свободных носителей в наклонном магнитном поле, оптически детектируемому магнитному резонансу, квантовым биениям и резонансному комбинационному рассеянию света с переворотом спина (см. литературу, цитируемую в [24]).

Что касается дырочного g-фактора в гетероструктурах, то для тяжелой дырки он обладает сильной анизотропией. Более того, в приближении аксиальной симметрии поперечный g-фактор тяжелой дырки gh вообще равен нулю: в недиагональном матричном элементе проекция углового момента тяжелой дырки на ось z меняется на m = ±3, тогда как слагаемые, линейные по магнитному полю B z, обеспечивают изменение m на ±1. С учетом кубической (неизотропной) симметрии объемных композиционных полупроводников значение gh конечно: в структуре с квантовой ямой GaAs/AlGaAs, выращенной по оси [001], это значение составляет 0.04 ± 0.01 [25]. Заметим, что здесь величина gh определена как спиновое расщепление в магнитном поле, отнесенное к BB.

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

157

Комбинационное рассеяние света

В объемных полупроводниках свет может рассеиваться (1) на свободных носителях, включая рассеяние на флуктуациях плотности заряда (одночастичные возбуждения и плазмоны) и флуктуациях спиновой плотности (переходы с переворотом спина), (2) на фононах, оптических (рамановское, или комбинационное, рассеяние) или акустических (мандельштам-бриллюэновское рассеяние), и (3) статических дефектах (релеевское рассеяние). В гетероструктурах с квантовыми ямами и сверхрешетках появляются дополнительные возможности: в структурах с квантовыми ямами вклад в рассеяние могут вносить не только внутриподзонные переходы, но и переходы между электронными подзонами размерного квантования (рассеяние на межподзонных флуктуациях плотности заряда или спиновой плотности); комбинационное рассеяние обогащается участием размерно-квантованных и интерфейсных оптических фононов (confined and interface optical phonons), а также акустических фононов со “сложенным” спектром (folded acoustic phonons) в сверхрешетках.

Мы будем использовать обозначения !1, q1, e1 и !2, q2, e2 для частоты, волнового вектора и единичного вектора поляризации у исходной (первичной) и рассеянной (вторичной) электромагнитных волн соответственно. Если частица (или квазичастица), участвующая в процессе рассеяния, сталкивается с фотоном и изменяет свою энергию и волновой вектор E1; k1 на E2; k2, то законы сохранения гласят:

~!1 + E1 = ~!2 + E2 ; q1 + k1 = q2 + k2 :

(3.164)

Если же рассеяние фотона сопровождается испусканием или поглощением элементарного (квазичастичного) возбуждения, характеризуемого частотой и волновым вектором Q, то законы сохранения принимают вид

!1

= !2 + ; q1

= q2 + Q ;

(3.165)

!1 + = !2 ; q1 + Q = q2 :

 

При испускании (поглощении) возбуждения частота фотона уменьшается (возрастает) на . При этом говорят о рассеянии в стоксову или антистоксову область спектра, а процесс рассеяния называют стоксовым или антистоксовым соответственно. При одновременном поглощении света в среде, когда векторы q1;2 комплексны, в закон сохранения следует подставлять вещественные части соответствующих волновых векторов.

Структуры с квантовыми ямами не обладают трансляционной симметрией вдоль оси роста z. Поэтому закон сохранения компонент волновых векторов на ось z исключается из (3.164), (3.165).

Рассеяние на межподзонных электронных возбуждениях

Рассмотрим рассеяние света на межподзонных электронных переходах e + ~!1 → e + ~!2 в структуре с квантовой ямой n-типа, в которой валентная зона заполнена, а в зоне проводимости имеется 2D-электронный газ. Это

158 Е.Л. Ивченко

рассеяние представляет собой двухквантовый процесс. Он включает поглощение первичного фотона с переходом электрона из валентной подзоны v ′′ в подзону e и последующее излучение вторичного фотона с переходом равновесного электрона e в вакантное состояние в подзоне v ′′. Предположим для простоты, что энергия фотона ~!1 лежит вблизи запрещенной зоны квантовой ямы. Тогда при расчете вероятности рассеяния света можно учесть только резонансный вклад в матричном элементе второго порядка и записать спектральную интенсивность вторичного излучения в виде

I(e2; !2|e1; !1) ii

|Mii|2 fi (1 − fi) (Ei

+ ~!2 − Ei − ~!1) ;

(3.166)

 

 

 

 

 

i

 

ˆ

i′′

 

i′′

* ˆ i

 

 

 

Mii

 

A0

 

|e1p|

 

 

|e2p|

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ei

Ei′′

~!1

 

 

 

 

 

 

i′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь |i ; |i; |i′′ — электронные состояния в подзонах e , e и v ′′ соответственно, Ei — энергия электрона в состоянии |i , fi — электронная функция распределения, i|pˆ|i′′ — междузонный матричный элемент оператора импульса , A0 — скалярная амплитуда векторного потенциала первичной электромагнитной волны. Используя (3.166) и пренебрегая кулоновским взаимодействием между носителями и смешиванием валентных подзон при k , 0, можно получить следующее выражение для дифференциального сечения рассеяния на межподзонных возбуждениях в одиночной квантовой яме

 

d2

~!2

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.167)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d!d

J1S

!2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

~

!2

 

2

1

 

 

 

|e2* e1 R ( s; s)|2

 

 

 

 

= c4

(!1 )

 

S k ss

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

× f k (1 − f k) (Ee k + ~!2 − Ee k − ~!1) ;

 

где введен тензор рассеяния

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R ( s; s) =

e2

 

 

ie ;v ′′ ie;v ′′

 

p

p

:

(3.168)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m2

Ee k

Ev ′′k

~!1

 

 

 

 

 

0

v ′′

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

Поясним остальные обозначения: W — вероятность рассеяния света в единицу времени в элемент телесного угла 2 и в частотный интервал !2, S

— площадь образца в плоскости интерфейсов, J1 — интенсивность исходного излучения, индекс v пробегает три валентные подзоны объемного полупроводника, включая подзоны тяжелых и легких дырок, а также подзону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием, m — спиновый индекс дырки, pcs;vm — междузонный матричный элемент, рассчитанный между объемными блоховскими функциями, ie ;v ′′ — интегралы перекрытия (3.61). Рассматривается геометрия рассеяния назад при нормальном падении, когда падающая и рассеянная волны распространяются навстречу друг другу и параллельно

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

159

нормали к плоскости интерфейсов. В силу второго закона сохранения (3.164) волновой вектор электрона k в процессе рассеяния не меняется.

При междузонных оптических переходах четность огибающих функций сохраняется. Поэтому она сохраняется и при рассеянии на межподзонных переходах. Следовательно, рассеяние разрешено для переходов e1 → e3 и запрещено для переходов e1 → e2. В реальных условиях отступление от указанного правила отбора может быть связано с дополнительным рассеянием фотовозбужденных электронно-дырочных пар на статических дефектах и несовершенствах гетероструктуры, а также с гибридизацией состояний тяжелых и легких дырок при k , 0. В асимметричных квантовых ямах, например односторонне легированных, основной причиной рассеяния на межподзонных возбуждениях e2e1 является асимметричная форма огибающих 'e (z); 'v (z), при которой интегралы перекрытия ie ;v ′′ , ie;v ′′ могут одновременно быть отличными от нуля. Заметим, что выражение (3.167) выведено в одночастичном приближении, когда переданная энергия фотона совпадает с разностью одночастичных энергий Ei− Ei. Учет кулоновского взаимодействия между электронами приводит к перенормировке энергии межподзонного возбуждения, вследствие чего рамановские сдвиги при рассеянии на межподзонных возбуждениях с сохранением и переворотом спина различаются [26].

Рассеяние на размерно-квантованных оптических фононах

Микроскопически рассеяние света на фононах в нелегированном полупроводнике или полупроводниковой структуре описывается как процесс третьего порядка с составным матричным элементом

 

 

 

 

M0nVnn Mn0

 

 

 

 

 

;

(3.169)

(En

~!1

±

~

i~ n)(En

~!1

i~ n)

nn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где Mn0 — матричный элемент однофотонного перехода из основного состояния системы |0 в возбужденное состояние |n , представляющее собой электрон-дырочную пару или экситон и характеризуемое энергией возбуждения En и затуханием n; Vnn — матричный элемент электрон-фононного взаимодействия, включающего также взаимодействие фонона с дыркой; — частота фонона. Как и при выводе (3.166), (3.168), здесь учтен только резонансный вклад. Перед актом рассеяния электронная подсистема находится в основном состоянии |0 , фононная подсистема включает N фононов с частотой и волновым вектором Q, имеется N(!1) первичных фотонов, а фотоны с энергией кванта ~!2 отсутствуют. После акта рассеяния электронная подсистема вновь оказывается в основном состоянии, число первичных фотонов уменьшается на единицу, рождается фотон !2, а число фононов увеличивается на единицу в стоксовом процессе рассеяния и убывает на единицу при антистоксовом рассеянии. Согласно (3.169) на первой ступени трехступенчатого процесса рассеяния первичный фотон возбуждает электронную подсистему в промежуточное состояние |n . Затем рассеяние на фононе вызывает

160 Е.Л. Ивченко

квантовый переход из |n в другое промежуточное состояние |n. На заключительном этапе электронная подсистема возвращается в основное состояние, излучая при этом рассеянный фотон.

Чтобы понять особенности оптических колебаний в гетероструктурах, рассмотрим слой квантовой ямы с шириной a. Оптические фононы в объемных материалах характеризуются слабой дисперсией с ниспадающей дисперсионной кривой. При малых значениях волновых векторов Q можно ограничиться членами нулевого и второго порядков в разложении частоты, например, продольного оптического фонона

LO(Q) ≈ LO(0) −

~Q2

 

;

2M¯

где для удобства введен положительный параметр ¯ , имеющий размерность

M

массы. Если частоты LO(0) в слоях ямы и барьера заметно различаются, то оптические фононы испытывают размерное квантование аналогично тому, как это происходит с электронными состояниями в квантовой яме. В результате составляющая волнового вектора фонона Qz принимает дискретные значения, близкие к =a, где - положительные целые числа. В континуальном приближении относительный сдвиг u = uC − uA между катионной (C) и анионной (A) подрешетками рассматривается как непрерывно изменяющаяся величина. При решении задачи о собственных колебаниях нужно вводить граничные условия для u и скалярного потенциала (r) электрического поля, порождаемого этими колебаниями.

При упрощенном описании размерно-квантованных LO-фононов в периодических структурах с квантовыми ямами полагают, что на интерфейсах в нуль обращается относительный сдвиг uz. Тогда для скалярного потенциала имеем (z) sin ( z=a), если нечетно, и (z) cos ( z=a), если четно. В работе [27] предложены решения

 

sin (

 

=

 

+

 

=a ;

 

=

 

;

 

; ::: ;

(z)

 

z

a)

 

C z

 

=2

;

 

3

 

5

(3.170)

 

cos ( z=a)

 

( 1)

 

= 2; 4; 6; ::: ;

 

 

 

 

 

− −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которые удовлетворяют одновременно условию обращения в нуль как для(z), так и для uz(z). При этом учитывается, что линейная функция y(x) = c1 + c2z удовлетворяет однородному уравнению d2y(z)=dz2 = 0. Константыи C находятся из условия обращения в нуль функции (z) и ее первой производной на интерфейсах z = ±a=2. При таком описании мода = 1 исключается из набора (3.170), так как ее нужно последовательно рассматривать как интерфейсную моду. Физически интерфейсный оптический фонон представляет собой поверхностное возбуждение (поверхностный фонон), передаваемое от интерфейса к интерфейсу и распространяющееся вдоль оси z неограниченно далеко (в пренебрежении процессами рассеяния и распада оптического фонона).

В симметричных структурах c квантовыми ямами GaAs/AlAs(001) (точечная группа D2d) размерно-квантованные оптические фононы характеризуются

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

161

симметрией A1 и B2. Напомним, что в группе D2d простейшими примерами базисных функций для представлений A1 и B2 могут служить константа и координата z соответственно. Согласно (3.170) для фононных мод с четными скалярный потенциал (z) имеет симметрию A1, а огибающая функция u (z) преобразуется по представлению B2, тогда как для фононов с нечетными , функции и u (z) соответствуют представлениям B2 и A1. Заметим, что симметрия оптического колебания определяется симметрией скалярного потенциала (z).

Возвращаясь к рассмотрению рассеяния света на размерно-квантованных оптических фононах, напомним, что для краткого обозначения геометрии рассеяния обычно используются четыре символа — два в скобках и два вне скобок — например x(yz)y, z(xx)¯z или z( +; )¯z. Внутренние символы указывают поляризацию, внешние — направление распространения первичного и вторичного фотонов. В частности, конфигурация z(xy)¯z означает, что исходное излучение распространяется вдоль оси z и поляризовано по оси x, а рассеянный свет распространяется в обратном направлении и регистрируется его составляющая, поляризованная по y.

В рассеяние n → nэлектронно-дырочного возбуждения на продольном оптическом фононе, т.е. в рассеяние, описываемое в (3.169) матричным элементом Vnn, вносят вклад два механизма: фрелиховский, или дальнодействующий, и деформационный, или короткодействующий. В первом механизме LO-фонон воздействует на электронную подсистему через скалярный потенциал (z) электрического поля, индуцированного оптическим колебанием решетки. При деформационном механизме происходит индуцированное фононом смешивание состояний тяжелых и легких дырок, т.е. в этом случае переход n → nсовершается за счет взаимодействия дырки с оптическим фононом.

При возбуждении вблизи края фундаментального поглощения в квантовой яме GaAs/AlAs основной вклад в рассеяние вносят промежуточные состояния e1-hh1. В соответствии с (3.52), (3.57) запишем огибающую двухчастичной волновой функции в виде fn( )'e(ze)'hh1(zh), где fn( ) — огибающая относительного движения электрона и дырки в плоскости интерфейсов в экситонных состояниях или электронно-дырочных состояниях из континуума. Тогда при рассеянии на LO-фононе за счет дальнодействующего механизма имеем Z

Vnn = e nn ['2e (z) − '2hh1(z)] (z)dz :

При симметричных функциях '2e (z); '2hh1(z) этот интеграл отличен от нуля лишь для симметричного потенциала (z). Это согласуется с правилом отбора, следующим из теоретико-группового анализа: оптические моды с четными (симметрия A1) рамановски активны в параллельных конфигурациях z(xx)¯z или z(yy)¯z.

Деформационный механизм проявляется в недиагональном рассеянии z(xy)¯z или z(xy)¯z на продольных оптических колебаниях симметрии B2, т.е. с нечетными .

0 e1;hh1

162 Е.Л. Ивченко

На рис. 3.7 показаны спектры комбинационного рассеяния на размерноквантованных оптических фононах, измеренные на толстобарьерной сверх-

˚

решетке GaAs/AlAs, содержащей 400 двойных слоев шириной a = 20 A,

˚

b = 60 A. Фононные моды с квантовым числом обозначены в виде LO . При нерезонансном возбуждении сечения рассеяния на фононах LO2l+1 и LO2l, наблюдаемые соответственно в конфигурациях z(xy)¯z и z(xx)¯z, сопоставимы по величине. В согласии с предсказаниями микроскопической теории при резонансном возбуждении, когда ~!1;2 ≈ E и фрелиховский механизм преобладает над деформационным, наблюдается только рассеяние на LO2l- фононах. Наличие тех же линий LO2l, хотя и заметно меньшей интенсивности, в скрещенной геометрии z(xy)¯z может быть связано с влиянием статических дефектов на фрелиховское взаимодействие носителей с оптическими фононами. Комбинационное рассеяние в сверхрешетках и квантовых ямах является привлекательной альтернативой неупругому рассеянию нейтронов для определения дисперсии оптических фононов в объемном полупроводнике.

Рассеяние на акустических колебаниях со “сложенным” спектром

Мы ограничимся здесь рассмотрением рассеяния света на продольных акустических (LA) колебаниях в полупроводниковых сверхрешетках. Дисперсионное уравнение для таких колебаний по форме совпадает с уравнением (3.29), в котором нужно подставить в качестве kA;B волновой вектор фонона kj = =sj ( — частота фонона, sj — скорость продольного звука в матeриале j = A; B), а параметром N является отношение B sB=A sA ( j — плотность вещества j). Учитывая далее, что для типичных полупроводниковых сверх-

решеток параметр

B sB A sA " = √ A B sA sB

мал по сравнению с единицей, уравнение дисперсии удобно представить в виде

cos (Qd) = cos (kAa + kBb) −

1

 

2 sin (kAa) sin (kBb) "2 ;

(3.171)

где Q — волновой вектор, описывающий распространение блоховского фонона вдоль главной оси сверхрешетки z, d = a + b — период структуры. В пренебрежении слагаемыми, пропорциональными "2, получаем линейную дисперсию

Qd = kAa + kBb = =s¯ ; s¯ = d (asA−1 + bsB−1)−1 :

(3.172)

В схеме приведенных зон волновой вектор задается в первой зоне Бриллюэна сверхрешетки: |Q| ≤ =d. В этом случае линейная зависимость (3.172) превращается в “сложенную” линию, прямые ветви которой описываются формулой

lQ = s¯ (2 |l| + |Q| sign l) : (3.173) d

3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток

163

Отсюда следует, например, что в точке Q = 0 имеются колебания с частотами, кратными частоте 1 = 2 s¯=d. Для обозначения ветвей вводится индекс l, пробегающий значения 0; ±1; ±2; ::: . Заметим, что при l = 0 в (3.173) вместо sign l нужно подставить единицу. При учете второго слагаемого в правой части (3.171) в спектре “сложенных” акустических фононов в точках излома Q = 0; ± =d появляются запрещенные зоны. При малых значениях " ширина запрещенной минизоны вблизи частоты 1 равна 2(s¯=d)|" sin [kA( 1)a]|.

Феноменологически рассеяние света на акустических фононах можно описывать, добавляя к материальному соотношению между диэлектрической поляризацией среды P и электрическим полем первичной световой волны E вклад

P = (r; t)E = P E u (r; t) :

Здесь u (r; t) — тензор деформации, возникающей при акустическом колебании, P — тензор фотоупругих коэффициентов, который в сверхрешетке зависит от координаты z. При таком описании спектральная интенсивность рассеянного света пропорциональна среднему квадрату флуктуации диэлектрической восприимчивости

I(!2; q2) | (q2 − q1; !2 − !1)|2 E02(!1; q1) ;

где E0 — амплитуда первичной волны, (q; ) — пространственная и временная´ фурье-компоненты флуктуации (r; t).

При рассеянии на LA-фононах в параллельной конфигурации z(xx)¯z или z(yy)¯z вклад вносит только фотоупругий коэффициент Pxxzz ≡ P12. Разложим функцию P12(z) в ряд Фурье

P12(z) = P(m)eiGmz ;

m=−∞

где Gm = 2 m=d,

P(0)

1

(aPA + bPB) ; P(m) = (PA − PB)

1

 

ma

 

=

 

 

sin

 

(m , 1)

:

d

m

d

Блоховская акустическая волна, распространяющаяся в сверхрешетке, представляет собой набор пространственных гармоник с волновыми векторами Q + Gm. Оценки показывают, что обычно при рассеянии в сверхрешетках пространственная модуляция фотоупругого коэффициента играет более существенную роль, чем смешивание пространственных гармоник в акустическом фононе. Поэтому сечение рассеяния света на сложенном акустическом фононе при Q =d пропорционально P(l)2.

В короткопериодной сверхрешетке волновой вектор света мал по сравнению с =d и в рассеянии участвуют фононы с малым значением Q = q1 −q2 ≈ 2q1. С другой стороны, при рассеянии назад это значение достаточно велико, чтобы можно было использовать линейно-ломанную дисперсию (3.173). В результате спектр рассеяния, помимо пика мандельштам-бриллэновского