Исследования в области физики экситонов и экситон-поляритонов представляют собой замечательные достижения отечественной физической школы. Вплоть до настоящего времени активно используются работы Я. И. Френкеля [1*], С. И. Пекара [2*], Е. Ф. Гросса [3*, 4*] и их последователей. Немалая часть фундаментальных эффектов была открыта с использованием полупроводников со структурой вюрцита [4*-6*], т. е. соединений, принадлежащих к пространственной группе симметрии С4 с гексагональной б> кристаллической решеткой и полярной осью [7*]. Развитие этой области физики в части таких материалов, как АЗ-нитриды, А2-оксиды и наноструктуры на их основе, непосредственно связано с прогрессом в области создания оптоэлектронных приборов следующего поколения.
В истории исследования и свойствах соединений обеих групп — нитридов и оксидов, есть много общего. Они относятся к классу полярных полупроводников, для которых существенны явления пьезоэлектрической и спонтанной поляризаций. Основные компаунды, ОаМ и ZnO, отличаются большой шириной запрещенной зоны (3.42 и 3.37 эВ при 300К, соответственно) и доминированием экситонных особенностей в оптических спектрах вплоть до комнатной температуры вследствие больших энергий связи экситонов. Гетероструктуры на основе этих материалов потенциально способны излучать свет в широчайшей спектральной области. Варьирование составов нитридных соединений перекрывает диапазон от инфракрасного излучения (1пОа1[) до глубокого ультрафиолета (АЮаЫ). В составах 2п0 с добавлением М§и Сё возможно изменение ширины запрещенной зоны от 1.9 эВ (гпСсЮ) до 3.7 эВ (гпМ^О). Характерной особенностью этих соединений является их высокая химическая, тепловая и радиационная устойчивость, что существенно расширяет области потенциального использования.
Экситонные свойства данных вюрцитных кристаллов активно исследовались, начиная с 70-х годов прошлого столетия, вслед за пионерскими работами Хопфилда [5*] и Томаса [6*]. Следует отметить уникальную экспериментальную работу Дингла и соавторов [8*], установившую принятую ныне структуру валентных зон в ОаТчГ. Лавинообразный рост числа публикаций был стимулирован применением нитридных соединений для создания светоизлучающих приборов [9*] и аналогичными перспективами для ХпО.
В результате, за прошедшие более чем три десятка лет были уточнены многие параметры как АЗ-нитридов, так и А2-оксидов. Однако до сих пор ряд свойств кристаллов, слоев и наноструктур остаются неопределенным. Кратко, не исследованы фундаментальные процессы переноса излучения в вюрцитных полупроводниках с резонансными линиями, в том числе обусловленными экситон-примесными комплексами. Не прояснены до конца особенности экситонного и экситон-поляритонного излучения в ОаЫ и ТпО при наличии точечных и протяженных дефектов. Не определено влияние формирования участков противоположной полярности — инверсных доменов (ИД), на оптические свойства слоев и наноструктур. Отсутствует четкое представление о влиянии металлических нано-преципитатов на оптические свойства соединений. Специфика этих проблем позволяет охарактеризовать их как проблемы неидеальных вюрцитных полупроводников, даже в случае, когда их исследование осуществляется с использованием лучших на мировом уровне образцов.
Рассмотрение динамики исследования экситон-поляритонов в йаК и ЪпО слоях и наноколоннах [10*, 11*] свидетельствует, что, несмотря на фундаментальный интерес и отмеченную возможность практического применения в поляритонных «беспороговых» лазерах [12*], число экспериментальных исследований поляритонных эффектов скорее сокращается, чем растет в настоящее время. Причина состоит в осознании факта, что дальнейшее уменьшение средней плотности дефектов, рассеивающих поляритоны, практически невозможно. Это выдвигает на первый план задачу исследования механизмов переноса излучения в неидеальных структурах, где, наряду с баллистическим (поляритонным), возможно и диффузное распространение света [1], и где актуальна проблема рассеяния между поляритонными ветвями, обусловленная сложной структурой поляритонных ветвей [2,3]. Без детального изучения этих особенностей невозможно создание ни поляритонных приборов, ни устройств, эксплуатирующих явление «медленного» света [13*].
Развитие технологии квантоворазмерных структур, казалось бы, создает базу для их практического применения. Однако хорошо известно, что в вюрцитных квантовых ямах (КЯ) существуют сильные электрические поля, приводящие к штарковскому сдвигу и ослаблению интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) [14*]. Эти поля хорошо исследованы в ваМ, где полоса люминесценции из квантовой ямы может оказаться ниже края поглощения в объемном материале. Для ¿-пО экспериментальные данные о величинах встроенных электрических полей в квантовых ямах более противоречивы. Во всех предыдущих исследованиях эти поля полагались макроскопически однородными, тогда как данные вюрцитные материалы характеризуются наличием значительного количества ИД. Электрические поля флуктуируют вдоль структур смешанной полярности и, как результат, имеют меньшую величину, что позволяет наблюдение яркой люминесценции вплоть до комнатных температур [4]. Однако это же явление может приводить к размытию плотности состояний, ухудшая пороговые характеристики лазерных структур [5].
Близкая ситуация сложилась и с исследованием экситонов и экситонных комплексов. Их энергия связи должна увеличиться в условиях низкоразмерного ограничения. Однако экситон в квантовой яме, поляризованной внутренним электрическим полем, разрушается вследствие взаимодействия со свободными электронами двумерного электронного газа [15*]. Наблюдение экситонных эффектов в вюрцитных квантоворазмерных структурах возможно при реализации специфического ограничения в области инверсных доменов [6]. Важным вопросом также является прояснение экситон-фононного взаимодействия [7], которое может определять приборные характеристики при высоких температурах [16*].
Тройные соединения нитрида индия с ОаИ используются для получения голубых светоизлучаюгцих диодов, установленных на всех перекрестках мира. Однако бинарный компаунд имеет тенденцию к нестехиометрическому росту (1п/№ 1) и преципитации металлического индия. Локальные плазменные возбуждения в металлических частицах (кластерах) или Ми резонансы [17*] могут приводить к ряду специфических эффектовфакт, который ускользал от внимания исследователей до публикации наблюдения таких резонансов в слоях 1пЫ со спонтанно формируемыми кластерами [8].
Отметим, что создание и исследование металл-полупроводниковых нанокомпозитов имеет самостоятельное значение для реализации устройств плазмоники — одной из быстро развивающихся областей современной физики, оперирующей коллективными электронными возбуждениями в металлических включениях на поверхности или внутри диэлектрической матрицы [18*]. Данных по оптическим свойствам нанокомпозитов с оптически активной полупроводниковой матрицей явно недостаточно. Система ¡-гОМ с кластерами 1п может служить хорошим модельным объектом для изучения основных свойств подобных нанокомпозитов.
Дальнейший прогресс в области создания и применения наноструктур на основе АЗ-нитридов И А2-ОКСИДОВ требует прояснения всех этих вопросов. Их условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся задачи продолжения канонического исследования свойств экситонов и экситон-поляритонов в кристаллах полупроводников со структурой вюрцита, включая исследование механизмов переноса излучения. В случае специально отобранных образцов с низким уровнем дислокаций и других протяженных дефектов для задач этой группы определяющим является влияние точечных дефектов, в первую очередь донорных центров. Вторая группа объединяет эффекты, связанные с наличием специфических для вюрцитных полупроводников протяженных дефектов инверсных доменов. Эти эффекты наиболее существенны в наногетероструктурах, где они могут влиять на все оптические свойства, включая лазерные характеристики. К задачам третьей группы относятся исследования металл-полупроводниковых нанокомпозитов, где вкрапления металлической фазы являются своеобразным дефектом в полупроводниковой матрице, радикально изменяющей все ее оптические свойства вследствие возбуждения плазмонных резонансов. Диссертационная работа представляет ряд актуальных исследований, имеющих отношение ко всем трем группам задач.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.
Целью диссертационной работы является изучение оптических свойств, определяемых экситонными и плазмонными эффектами в неидеальных объемных кристаллах и наноструктурах на основе вюрцитных полупроводников. Особенность предлагаемого подхода состоит в систематическом учете несовершенства вюрцитных структур, изобилующих точечными и протяженными дефектами, такими как примесные центры, инверсные домены и металлические кластеры. В качестве объектов исследования были исспользованы: кристаллы ОаМ, слои и наноколонны ОаМ и ЪпО, квантовые ямы ОаН/АЮаЫ и гпО^пМ^О, нанокомпозиты [пКЛп с кластерами 1п.
Поставленная цель достигалась посредством решения следующих задач:
1. Определение типов доминирующих дефектов на основе сопоставления данных спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) с результатами рентгено-дифракционного анализа тензора микродисторсии, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и других методов структурной характеризации.
2. Развитие методов поляризационной спектроскопии с высоким пространственным разрешением для проведения измерений микро-фотолюминесценции (ц-ФЛ) и микроотражения с целью уточнения правил отбора для экситонных переходов, структуры поляритонных мод и наблюдения узких линий люминесценции одиночных локализованных экситонов.
3. Применение методов спектроскопии с временным разрешением для исследования процесса переноса излучения и кинетики экситонной рекомбинации в исследуемых структурах.
4. Развитие методов экспериментального и теоретического анализа механизмов переноса излучения в вюрцитных кристаллах с целью разграничения двух возможных способов: баллистического (поляритоиного) и диффузного, вызванного резонансным рассеянием на примесных центрах.
5. Экспериментальное наблюдение и теоретическая интерпретация влияния областей инверсной полярности на оптические свойства вюрцитных эпитаксиальных слоев и наноструктур, включающая анализ возможных нано-метрических флуктуаций толщин, встроенных электрических полей и локализующих потенциалов.
6. Исследование поведения экситонов и их комплексов при трехмерном ограничении в местах пересечения квантовых ям инверсными доменами. Установление взаимосвязи между дефектами, кинетикой рекомбинации и возможностью достижения стимулированного излучения в гетероструктурах с квантовыми ямами смешанной полярности.
7. Теоретическое и экспериментальное рассмотрение нанокомпозита как среды с эффективной диэлектрической функцией, особенности которой определяются плазмонными возбуждениями в металлических кластерах (Ми резонансами), наряду с эффектами нестехиометрии в полупроводниковой матрице.
8. Развитие методов экспериментального наблюдения эффектов, связанных с присутствием металлических кластеров в полупроводниковой матрице, в первую очередь:
I) метода термического детектирования оптического поглощения (ТДОП) для определения оптических потерь, вносимых кластерами;
II) метода микро-катодолюминесценции (ц-КЛ), сопровождаемого структурным микроанализом, для исследования усиления излучения около кластеров локальными электромагнитными полями.
9. Экспериментальное исследование и моделирование электромагнитного усиления в нанокомпозитах, где металлические кластеры могут иметь случайную форму и ориентацию относительно внешнего электромагнитного поля. Определение влияния структуры электронных зон в индии на плазмонные резонансы.
Научная новизна и практическая значимость работы заключаются в следующем:
• Впервые проведено исследование переноса излучения в кристаллах ваЫ, важное для создания оптоэлектронных приборов, для работы которых существенны времена прохождения светового импульса. Продемонстрировано уменьшение скорости света в окрестности экситонных резонансов и дана теоретическая интерпретация наблюдаемому явлению как результату совокупной задержки вследствие изменения групповой скорости распространения поляритонов и упругого рассеяния фотонов на донорных центрах.
Впервые проведено совместное рассмотрение и анализ спектров отражения, поглощения и задержки света в высококачественных кристаллах, позволившее уточнить экситонные параметры в ОаЫ, необходимые для расчета оптоэлектронных приборов.
Выполнено исследование спектров фотолюминесценции и отражения света с поляризационным разрешением в кристаллах, слоях и наноколоннах, позволившее подтвердить существование смешанных экситон-поляритонных мод в Оа! Ч и 2п0. Систематически исследована кинетика излучения свободных экситонов, экситонов связанных на доноре и их двухэлектронных сателлитов, а также фононных реплик свободных и связанных экситонов. Это позволило определить характерные времена излучательной рекомбинации, пространственную идентификацию излучающих областей и правила отбора переходов с участием фононов.
Впервые исследовано влияние инверсных доменов на оптические свойства слоев и квантовых ям. Продемонстрировано возникновение дополнительных полос излучения и краев поглощения и уменьшение уровня внутренних электрических полей, приводящее к возможности существования интенсивной ФЛ вплоть до комнатных температур.
Впервые продемонстрированы узкие линии экситонной фотолюминесценции в квантовых ямах ОаМ/АЮа1[, пересекаемых инверсными доменами, свидетельствующие о трехмерном характере квантоворазмерного ограничения в местах пересечений. Показано, что наблюдаемые дублеты узких линий служат проявлением формирования заряженных экситонных комплексов — трионов. Впервые проанализировано влияние смешанной полярности на достижение стимулированного излучения. Продемонстрирована возможность лазерной генерации при оптической накачке в двойных гетероструктурах Ъп0! ЪгМ%0 с одиночной квантовой ямой ZnO в активной области.
Впервые обнаружены диэлектрические аномалии — Ми резонансы в кластерах 1п, расположенных внутри вюрцитного полупроводника. Исследованы фундаментальные параметры нестехиометрической полупроводниковой матрицы и эффективная диэлектрическая функция нанокомпозита Ш[/1п.
Продемонстрировано, что для нанокомпозитов является характерным протекание процессов люминесценции, поглощения света и генерации фототока в пространственно различных областях, находящихся под различным влиянием плазмонов.
• Впервые обнаружено усиление ФЛ за счет плазмонных возбуждений в кластерах индия, расположенных внутри вюрцитного полупроводника — эффект, перспективный для увеличения эффективности светодиодов. Проведена оценка средней величины усиления оптических процессов в нанокомпозитах при статистическом разбросе формы и положения кластеров.
• Обнаружено селективное подавление плазмонных резонансов межзонными переходами в 1пК и электронными переходами между параллельными зонами в 1п, которые являются типичными для ряда поливалентных металлов.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
1. Перенос излучения в ОаК осуществляется двумя способами: баллистическим, соответствующим экситон-поляритонному механизму распространения света, и диффузным, определяемым резонансным рассеянием фотонов на донорных центрах. Соответствующие времена задержки сигнала в окрестности резонанса экситона, связанного на нейтральном доноре, близки и зависят линейно от длины образца. Распространение света в окрестности экситонных резонансов в ОаК существенно замедлено — эффективная групповая скорость падает до 2100 км/сек.
2. Аномально поляризованный пик фотолюминесценции в окрестности, А экситона, наблюдаемый методом поляризационной спектроскопии с высоким пространственным разрешением в кристаллах, эпитаксиальных слоях и наноколоннах GaN и ZnO, возникает как результат замешивания продольных и поперечных экситон-поляритонных мод, а также процессов рассеяния между поляритонными ветвями, частично объединенными вследствие близости резонансов экситонов разных типов с одинаковой поляризацией.
3. Кинетика излучения в ОаК различна для безфононных экситонных линий и для их фононных реплик и двухэлектронных переходов. Это различие определяется разной длиной поглощения и сечением рассеяния на частоте переходов, и, как следствие, неодинаковым влиянием поверхности. Излучательные времена жизни экситонов в объеме материала наиболее адекватно описываются кинетикой двухэлектронных переходов и фононных реплик, поляризация которых зависит от симметрии вовлекаемых в процесс фононов и примесей.
4. В слоях и наноструктурах на основе АЗ-нитридов и А2-оксидов в областях сосредоточения инверсных доменов существует нано-метрическая флуктуация потенциального рельефа. В результате, в структурах смешанной полярности появляются дополнительные полоса излучения и край поглощения, а также происходит снижение величины встроенных электрических полей, обусловленных явлениями спонтанной и пьезоэлектрической поляризации.
5. В местах пересечения квантовых ям с инверсными доменами реализуется трехмерное ограничение экситонов, приводящее к появлению узких линий экситонной люминесценции, характерная дублетная структура которых в GaN/AlGaN квантовых ямах отражает формирование экситонных комплексов (трионов). При наличии подобной локализации в квантовых ямах ZnO/ZnMgO возможность достижения стимулированного излучения определяется статистическим распределением локализованных экситонных состояний в ямах и барьерах.
6. Полупроводниковые соединения с металлическими включениями (кластерами) представляют собой нанокомпозиты, эффективная диэлектрическая функция которых зависит от формы, количества кластеров и отклонения матрицы от стехиометрии. В таких материалах, в частности в InN/In, процессы излучения и поглощения света, а также генерации фототока могут происходить в пространственно различных областях, в разной степени подверженных влиянию локальных плазмонов (Ми резонансов), возбуждаемых в кластерах.
7. В нанокомпозите InN/In яркая инфракрасная люминесценция, области излучения которой пространственно совпадают с металлическими кластерами, и край термически детектируемого поглощения определяются, соответственно, радиационным и диссипативным затуханием плазмонных резонансов, наряду с усилением дипольных переходов локальными электрическими полями плазмонов. Величина усредненного усиления (<102) и спектральное положение его максимума зависят от статистического распределения кластеров. Переходы между параллельными зонами в In и межзонные переходы в InN селективно подавляют плазмонное усиление.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на 33.
Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:
— 29 Международной конференции по физике полупроводников (ICPS-29), Рио-де Жанейро, Бразилия, 2008 (приглашенный доклад);
— 16 Международном симпозиуме «Nanostructures: Physics and Technology», Владивосток, Россия, 2008 (приглашенный доклад);
5 Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в наноструктурах, PLMCN5, Глазго, Шотландия, 2005 (приглашенный доклад) — Европейской Международной конференции Общества исследования материалов, Е-MRS Fall Meeting 2005, Варшава, Польша (приглашенный доклад) — Европейской Международной конференции Общества исследования материалов, Е-MRS Spring Meeting 2004, Страсбург, Франция (приглашенный доклад) — Международном симпозиуме по нитридным компаундам, IWN4, 2004, Питсбург, США (приглашенный доклад);
11 Международном симпозиуме «Nanostructures: Physics and Technology», С. Петербург, Россия, 2003 (приглашенный доклад);
Российско-Тайванском симпозиуме по нитриду индия, JSNS-2005, С. Петербург, Россия, 2005 (приглашенный доклад);
15 Международной конференции по сверхрешеткам, наноструктурам и наноприборам (ICSNN 2008), Натал, Бразилия, 2008;
VII и VIII Российских конференциях по физике полупроводников: Москва, 2005; Екатеринбург, 2007;
27 и 28 Международных конференциях по физике полупроводников: ICPS27, Флагстаф, США, 2004; ICPS28, Вена, Австрия, 2006;
Международном симпозиуме по нитридным компаундам: IWN2000, Нагоя, Япония, 2000; IWN2002, Аахен, Германия, 2002; IWN2006, Киото, Япония, 2006; 4 и 5 Международной конференции по нитридным полупроводникам ICNS4, Денвер, США, 2001; ICNS5, Нара, Япония, 2005;
3 Международной конференции по когерентным процессам в экситонных системах, Лез Ош, Франция, 2007;
Зимней школе по физике полупроводников, С. Петербург-Зеленогорск, 2005;
9, 12 и 13 Международных симпозиумах «Nanostructures: Physics and Technology», С.
Петербург, Россия: 2001, 2004, 2005;
2 и 3 Международном симпозиуме по нитриду индия: Кайлуа-Кона, Гавайи, США 2005; Ильабела, Бразилия, 2006;
1, 2, 4 и 7 Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в наноструктурах: PLMCN1, Рим, Италия, 2001; PLMCN2, Ритимнон, Греция, 2002; PEMCN4, С. Петербург, Россия, 2004; PLCMN7, Гавана, Куба, 2007. 1 и 2 Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы»: Москва, 2001; С. Петербург, 2003;
— 3 Русско-Французском совещании по современной физике, Клермонт-Ферранд, Франция, 2006;
— 5 Российско-белорусском совещании «Semiconductor lasers and systems», Минск, Белоруссия, 2005.
Результаты исследований также неоднократно докладывались и обсуждались на Низкоразмерном семинаре ФТИ им. А. Ф. Иоффе, на семинарах в Токийском Университете (Япония), Ритцумейкан Университете (Кусатсу, Япония), Токийском технологическом Университете (Япония), Университете Монтпелье 2 (Монтпелье, Франция), Университете Блез Паскаля (Клермонт-Ферранд, Франция), Университете г. Линчепинга (Швеция).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Выполнен цикл работ по исследованию «медленного» света в высококачественных объемных кристаллах СаЫ:
— впервые проведено экспериментальное наблюдение задержки света в ОаЫ в окрестности экситонных резонансов, показавшее возможность уменьшения скорости света до значений менее 1% от скорости света в вакууме (2100 км/с);
— впервые продемонстрирована задержка света за счет диффузии фотонов, возникающая при упругом резонансном рассеянии на донорных центрах в ваИ;
— предложены модели, описывающие спектральные зависимости при баллистическом и диффузном механизмах переноса излучения, показавшие хорошее согласие с экспериментом;
— рассмотрение спектров задержки света совместно со спектрами отражения и пропускания позволило уточнить ряд экситонных параметров баИ (силу осциллятора свободных и связанных экситонов и однородную ширину резонансных линий).
2. Выполнен цикл работ по исследованию тонкой структуры экситонного и экситон-поляритонного спектра излучения в йаЫ и ZnO:
— впервые обнаружен аномально поляризованный пик ФЛ в окрестности, А экситона, служащий подтверждением сложной структуры поляритонных ветвей в ОаЫ и ZnO, которая содержит смешанные поляритонные моды и допускает рассеяние поляритонов с перераспределением плотности состояний между ветвями;
— показано, что продольно-поперечные смешанные поляритонные моды возникают не только в совершенных кристаллах, но также в наноколоннах и в эпитаксиальных слоях с заметной плотностью протяженных дефектов;
— проведена оценка продольно-поперечного расщепления для П и Г5 экситонных состояний, А экситон-поляритонной серии, составляющего 1−1.5 мэВ в йаЫ и 2−3 мэВ в ZnO.
3. Проведено сопоставление поляризационных характеристик и кинетики рекомбинации свободных и связанных экситонов в ОаЫ, их фононных реплик, а также двухэлектронных сателлитов:
— в результате исследования возбужденных состояний и двухэлектронных сателлитов линий экситонов, связанных на нейтральном доноре, уточнены энергии связи О и 81 доноров, составляющие 33.2±0.4 мэВ и 30.4±0.4 мэВ, соответственно;
— исследование поляризации фононных реплик позволило определить, что I) экситон-фононное взаимодействие в случае связанного экситона имеет локальный характер, 11) поляризация фонониой реплики перехода экситоиа, связанного на примеси, чувствительна к положению атома примеси в кристаллической решетке и к симметрии вовлеченного в процесс фонона;
— сопоставление характерных времен жизни излучения бесфононных линий свободных и связанных экситонов с временами жизни соответствующих фононных реплик и двухэлектронных сателитов показало, что медленное время затухания ФЛ связано с истинным радиационным временем жизни экситонов, тогда как быстрое затухание определяется захватом на центры безызлучательной рекомбинации вблизи поверхности.
4. Впервые проведен цикл работ по исследованию ваЫ слоев, наноколонн и квантовых ям с инверсными доменами:
— обнаружено расщепление полосы ФЛ на две и появление дополнительного края поглощения вследствие различных деформаций, электрических полей и ширин КЯ в районах различной полярности, причем нижний пик ФЛ в структурах Ы-полярности относится к инверсным доменам;
— путем сопоставления экспериментальных данных с результатами вариационного расчета определены электрические поля в КЯ структурах с инверсными доменами, величины которых оказались сравнительно малы (<200 кВ/см), что обеспечивает яркую ФЛ в квантовой яме М-полярности шириной 8−9 нм вплоть до комнатной температуры;
— исследование двух полос ФЛ с максимумами на 3.42 эВ и 3.47 эВ, регистрируемых в ОаЫ слоях и наноколоннах с инверсными доменами, показало, что разница энергий соответствующих переходов определяется различием в величинах упругих напряжений в областях противоположной полярности.
5. Впервые рассмотрены эффекты локализации экситонов в специфических местах, образуемых на пересечении квантовых ям и инверсных доменов:
— обнаружен трехмерный характер ограничения экситонов в местах пересечений КЯ инверсными доменами, что приводит к появлению в спектрах микро-фотолюминесценции узких линий одиночных локализованных экситоновхарактерная дублетная структура этих линий, обнаруженная в квантовых ямах СаЖАЮаЫ, свидетельствует о формировании экситонных комплексов — трионов;
— при наличии подобной локализации носителей в области инверсных доменов возможность достижения стимулированного излучения в гетероструктурах с квантовыми ямами определяется перекрытием распределений плотности состояний в ямах и барьерах, что является существенным для двойных гетероструктур 7л1ЪпМ%0 с одиночными квантовыми ямами ЪпО при концентрации в барьерах менее 12−14%.
6. Проведен цикл исследований базовых свойств нанокомпозитов МЫЛи:
— показано, что свойства металл-полупроводниковых нанокомпозитов радикально отличаются от свойств полупроводниковой матрицы, а именно: i) нанокомпозиты характеризуются эффективной диэлектрической функцией среды, которая зависит от плазмонных резонансов в металлических кластерах, п) процессы люминесценции, поглощения света и генерации фототока в нанокомпозитах преимущественно протекают в пространственно разделенных областях, отличающихся плотностью, формой и размерами металлических кластеров и, как следствие, различными проявлениями плазмонных эффектов;
— проанализировано влияние нестехиометрии (отношения N/In) на основные свойства InN матрицы, включая ширину оптической щели, которая может изменяться на величину до 1.5 эВ при значительном отклонении от стехиометрии, а также рассмотрено влияние явления компенсации на край поглощения в модели Эфроса-Шкловского для сильнолегированного полупроводника с непараболической зонной структурой;
— зарегистрированы диэлектрические аномалии (Ми резонансы) в спектрах термически детектируемого оптического поглощения в слоях InN/In, моделирование которых в приближении эффективной среды показало существенное изменение всех оптических констант даже при незначительных количествах введенного In (-1%);
7. Исследованы эффекты плазмонного усиления в InN/In нанокомпозитах, в том числе с периодическими вставками In:
— методом катодолюминесценции с высоким пространственным разрешением впервые обнаружено локальное усиление инфракрасного (-0.7 эВ) излучения около металлических кластеров, величина которого (-70) согласуется с теоретически предсказанным усилением.
Ю2);
— предложена модель для определения усредненного усиления в нанокомпозитах, учитывающая статистический разброс формы кластеров, а также особенности электронной структуры Inприменение модели к анализу экспериментальных данных позволило описать спектры термически детектируемого поглощения и продемонстрировать, что межзонные переходы между параллельными зонами в In, также как и межзонные переходы в полупроводниковой матрице, селективно подавляют плазмонные резонансы.
