
- •1. Фотонные кристаллы
- •1.1. Концепция
- •1.1.1. Электроны в кристаллических структурах
- •1.1.2. Электромагнитные волны в кристаллических структурах
- •1.1.3. Фотонное твердое тело: распространение и локализация электромагнитных волн в условиях сильного многократного рассеяния
- •1.2. Синтез и свойства фотонных кристаллов
- •1.2.1. Фотонные кристаллы в природе
- •1.2.2. Одномерные периодические структуры
- •1.2.3. Двумерные периодические структуры
- •1.2.4. Трехмерные периодические структуры
- •1.3. Испускание и рассеяние излучения в фотонных кристаллах: роль плотности фотонных состояний
- •1.3.1. Интегральная и локальная плотности состояний
- •1.3.2. Спонтанное испускание фотонов
- •1.3.3. Тепловое излучение
- •1.3.4. Комбинационное рассеяние
- •1.3.5. Резонансное (релеевское) рассеяние
- •1.4. Заключение
- •Список литературы
- •2. Оптическое излучение в линейных и нелинейных периодических структурах
- •2.1. Введение
- •2.2.1. Квазиоптическое приближение
- •2.2.2. Линзовые волноводы и лазерные резонаторы
- •2.2.4. Мелкомасштабная самофокусировка в периодических системах
- •2.2.5. Квазисинхронное параметрическое взаимодействие
- •2.3. Одномодовый световод с брэгговской решеткой
- •2.3.1. Двунаправленное распространение излучения
- •2.3.2. Брэгговские солитоны
- •2.3.3. Оптическая бистабильность и переключение
- •2.3.4. Полупроводниковые микрорезонаторы
- •2.4. Связанные световоды
- •2.5. Двумерные фотонные кристаллы
- •2.5.1. Неидеальные фотонные кристаллы
- •2.5.2. Нелинейные двумерные фотонные кристаллы
- •2.6. Заключение
- •Список литературы
- •3. Оптика квантовых ям и сверхрешеток
- •3.1. Классификация гетероструктур
- •3.2. Размерное квантование электронных состояний
- •3.3. Правила отбора при оптических переходах
- •3.3.1. Междузонные и внутризонные оптические переходы между подзонами размерного квантования
- •3.3.2. Поляризационные свойства оптических переходов из подзон тяжелых и легких дырок
- •3.4. Резонансное отражение и поглощение света в структурах с квантовыми ямами
- •3.5. Вторичное свечение гетероструктур
- •3.6. Квантовые микрорезонаторы
- •3.7. Заключение
- •Список литературы
- •4. Оптика квантовых точек
- •4.1. Введение
- •4.1.1. Состояния размерного квантования электронных и фононных возбуждений квантовых точек
- •4.1.2. Электрон-фононное взаимодействие в квантовых точках
- •4.1.3. Динамика электронных возбуждений квантовой точки
- •4.2. Оптические методы исследования квантовых точек
- •4.2.1. Изучение энергетической структуры электронных возбуждений
- •4.2.3. Исследование динамики элементарных возбуждений квантовых точек
- •4.2.4. Оптическая спектроскопия одной квантовой точки
- •4.3. Применение квантовых точек
- •4.3.1. Лазеры на квантовых точках для волоконной связи
- •4.3.2. Квантовые точки в биологии и медицине
- •Список литературы
- •5. Оптические резонансные свойства металлических наночастиц
- •5.1. Введение
- •5.2. Резонансы Ми отдельных металлических наночастиц
- •5.2.1. Эффект размера
- •5.2.2. Эффекты формы
- •5.3. Действие окружения на резонансы металлических наночастиц
- •5.3.1. Электродинамические эффекты
- •5.3.2. Контактные эффекты
- •5.4. Нелинейные оптические свойства металлических наночастиц
- •5.4.1. Генерация высших гармоник
- •5.4.2. Оптические комбинационные процессы
- •5.5. Неоднородные системы металлических наночастиц
- •5.5.1. Структурные параметры неоднородных систем
- •5.5.2. Измерение релаксационных параметров индивидуальных резонансов в неоднородных системах
- •5.6. Применения металлических наночастиц, связанные с их оптическими свойствами
- •5.7. Заключение
- •Список литературы

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 (−~2K‖2=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 |
d2K‖ f (‖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 |
≈ |
RRd2K‖ ‖f (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 Enn′ расщепляется 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 = n′ расщепление уровня Enn′ отрицательно, 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 −n′ совпадают. 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 n− электронов со спином ↑ (или 1=2) и ↓ (или −1=2) имеют простой вид

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+ +n− для полной концентрации фотоэлектронов, g = g+ +g− для 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*m′ усредняется по

150 Е.Л. Ивченко
статистическому ансамблю. Диагональные компоненты mm определяют вероятность найти экситон в состоянии m, а недиагональные компоненты mm′ с m , m′ — корреляцию между состояниями m и m′. Для чистых состояний
| mm′ |2 = mm m′m′ .
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 mm′ с 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 x′ и 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 Gmm′ для 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 ; P0l′ и 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, Pl′ и 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 , Pl′ и 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 l′l′ = 0) и отсутствие преобразования поляризации l′-c или c-l′
( cl′ = l′c = 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 gˆ 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 √ |
|
|
|
|
|
g‖2 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 |
pˆ |
ipˆ |
, |
||||||||||
|
p± |
|
c |
; s |
|
|
n |
спиновый индекс s = ±1=2 и pˆ — 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 g‖ и 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 g‖ и 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) ∑i′i |
|Mi′i|2 fi (1 − fi′ ) (Ei′ |
+ ~!2 − Ei − ~!1) ; |
(3.166) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
i′ |
|
ˆ |
i′′ |
|
i′′ |
* ˆ i |
|
|
|
Mi′i |
|
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 pˆ, 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 s′ s |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ ∑ |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
× 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 e2–e1 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
∑′ |
|
|
|
|
M0n′ Vn′n 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; Vn′n — 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 → n′ электронно-дырочного возбуждения на продольном оптическом фононе, т.е. в рассеяние, описываемое в (3.169) матричным элементом Vn′n, 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 → n′ совершается 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
Vn′n = e n′n ['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 .

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