3.1. 99-02-16796 3.2. Теоретическое исследование электронных и оптических свойств и процессов роста полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками и напряженными квантовыми ямами. 3.3. 02-200, 02-202, 02-205 3.4. Моделирование роста дважды разориентированной поверхности. Определение параметров ростовой модели. Исследование влияния внутренних напряжений на эволюцию формируемой дефектной структуры при высокодозной и высокотемпературной имплантации карбида кремния ионами азота и алюминия. Теоретическое исследование оже-рекомбинации в полупроводниковых квантовых точках, оже-захвата электронов в квантовые точки, оже- рекомбинации в объемных полупроводниках с учетом многократного рассеяния носителей, оже-рекомбинации в полупроводниковых квантовых ямах в поперечном квантующем магнитном поле. Теоретическое исследование циклотронного резонанса в квантовых ямах на основе разъединенных гетеропереходов II типа. Теоретическое исследование процессов фотовозбуждения носителей с уровней размерного квантования квантовых точек в состояния непрерывного спектра зоны проводимости и валентной зоны. Теоретическое исследование усиления и рассеяния излучения в лазерной структуре при различных распределениях квантовых точек. Определение минимального числа квантовых точек, обеспечивающих генерацию. 3.5. В соответствии с поставленной в проекте целью дан теоретический анализ процессов внутризонного поглощения, обусловленного фотовозбуждением носителей с уровней в КТ в состояния непрерывного спектра в процессе лазерной генерации. Дополнительно изучены эффект выжигания пространственных провалов инверсии населенности и обусловленная им многомодовая генерация в лазере на КТ в режимах высоких и низких температур. В дополнение к заявленным ранее задачам исследована область допустимых параметров структуры на КТ, в пределах которой возможна генерация лазерного излучения и обобщена теория пороговых характеристик лазеров на КТ на случай многих излучательных переходов и изучено общее соотношение между спектрами спонтанной излучательной рекомбинации и коэффициента усиления. Теоретически изучены инжекционные лазеры на основе InAs/GaAs КТ, сформированных методом активированного распада твердого раствора и излучающих вблизи наиболее актуальной для нужд телекоммуникации длины волны 1.3 mkm. Сверх плана построена теория локализации электронов в электрическом поле и блоховских осцилляций в идеальных 2D и 3D сверхрешетках из квантовых точек (СРКТ). Проведен детальный теоретический анализ кинетики затухания блоховских осцилляций в зависимости от величины электрического поля и параметров СРКТ. Проведен расчет коэффициентов оже-рекомбинации в полупроводниковых квантовых ямах в широком диапазоне температур. Развиты методы численного расчета коэффициентов оже-рекомбинации в полупроводниковых гетероструктурах на основе квантовых ям. Показано, что в широком диапазоне температур коэффициенты оже-рекомбинации для процессов с участием двух электронов и тяжелой дырки и электрона и двух тяжелых дырок с переходом одной из них в спин-орбитально отщепленную зону имеют слабую температурную зависимость и немонотонно зависит от ширины КЯ. Построены волновые функции и найден спектр носителей в цилиндрической квантовой нити в рамках 4-х зонной модели Кейна. Согласно плану были рассчитаны энергетические спектры и волновые функции электронов и дырок в сферических квантовых точках прямозонных полупроводников в рамках четырехзонной модели Кейна. Согласно плану построены температурные функции Грина носителей заряда и вычислена скорость оже-рекомбинации в однородном полупроводнике с учетом многократного рассеяния носителей заряда. Сверх плана был выполнен анализ влияния многочастичных процессов релаксации носителей заряда на пороговые и мощностные характеристики лазеров на основе квантовых ям. Также сверх плана были предложены два новых типа оптоэлектронных приборов: оже-лазер, на основе межподзонных переходов и лазер с активной областью охлаждаемой током накачки. Сверх плана проведены теоретические исследования основного и возбужденного состояний X+ и X- трионов в двумерной квантовой яме. Рассмотрена область отношений масс, в которой происходит исчезновение возбужденного состояния. Развита предложенная ранее физическая модель процессов эволюции структуры карбида кремния при имплантации ионами азота и алюминия и отжиге с учетом влияния температуры облучения. Проведены расчеты профилей залегания дефектов для различных режимов обработки (облучение + отжиг). Выполнено моделирование разориентированной поверхности соединений типа A3B5. Выяснено, что эффект самоорганизации возникает при определенных соотношениях между параметрами модели. Это дает возможность определить параметры ростовой модели в применении к конкретному соединению типа A3B5 исходя из экспериментальных данных и результатов моделирования. Сверх плана исследована кинетика образования зародышей твердой фазы из пересыщенного газа диффундирующих мономеров в двумерном и трехмерном пространствах при низких пересыщениях. 3.6. Рассчитаны коэффициент поглощения света и сечения фотовозбуждения электронов и дырок для внутризонных переходов из локализованных состояний в квантовых точках в состояния непрерывного спектра в процессе лазерной генерации. Получены зависимости коэффициента поглощения и сечений фотовозбуждения от размера КТ и глубин потенциальных ям для носителей. Показано, что поглощение света в процессе фотовозбуждения существенно для работы лазера только при очень низких полных потерях, например, в случае длинных резонаторов. Впервые рассчитан порог многомодовой генерации, обусловленной эффектом выжигания пространственных провалов инверсии населенности в лазере на КТ. Показано, что в режиме высоких температур в отличие от обычных полупроводниковых лазеров на квантовых ямах и с объемной активной областью, порог многомодовой генерации в лазерах на КТ контролируется термическими выбросами носителей из точек, а не их диффузией. В связи с этим в лазерах на КТ эффект выжигания пространственных провалов проявляется существенно сильнее, а порог многомодовой генерации может быть намного ниже, чем в лазерах с объемной активной областью и лазерах на квантовых ямах. Получены зависимости порога многомодовой генерации от параметров структуры и температуры. Показано, что уменьшение дисперсии размеров КТ приводит к существенному увеличению относительного порога многомодовой генерации. Показано, что в режиме высоких температур порог многомодовой генерации растет с ростом температуры, а в режиме низких температур этот порог контролируется временем спонтанной рекомбинации в КТ и не зависит от температуры. Предсказанное нами увеличение порога многомодовой генерации с ростом температуры может приводить к большей линейности ватт-амперной характеристики лазера при высоких температурах, что наблюдалось экспериментально. Указаны пути подавления выжигания пространственных провалов и повышения порога многомодовой генерации лазера на КТ. Показано, что существуют критически допустимые параметры структуры на КТ, за пределами которых невозможна генерация лазерного излучения. Этими параметрами являются максимально допустимая дисперсия размеров КТ и минимально допустимые поверхностная концентрация КТ и длина резонатора. При приближении параметра к своему критическому значению пороговый ток бесконечно возрастает, а относительный порог многомодовой генерации стремится к нулю. Обобщена теория пороговых характеристик лазеров на КТ на случай многих излучательных переходов. Показано, что для произвольного числа излучательных переходов в КТ и для произвольной функции распределения точек по размерам в режиме равновесного заполнения КТ носителями (комнатная температура и выше) имеет место общее соотношение между спектрами спонтанной излучательной рекомбинации и коэффициента усиления. Использование этого соотношения позволяет определить из экспериментально получаемых спектров спонтанной эмиссии спектры коэффициента усиления лазера на КТ (определение последних непосредственно из эксперимента сопряжено с большими трудностями). Изучено влияние микроскопических параметров (степени вырождения и интеграла перекрытия для переходов) на коэффициент усиления лазера. Рассчитан пороговый ток как функция от потерь и определены условия для плавного и скачкообразного изменения длины волны лазерной генерации с ростом потерь. Промоделированы пороговые характеристики лазера на основе InAs/GaAs пирамидальных КТ. Показано, что малые значения интегралов перекрытия для оптических переходов в таких КТ (и следовательно большие времена спонтанной излучательной рекомбинации) могут являться основной причиной низких значений модального коэффициента усиления, недостаточных для достижения лазерной генерации при небольших (несколько сотен мкм) длинах резонаторов. Показано, что спектр электронов в идеальных 2D и 3D сверхрешетках из квантовых точек (СРКТ) в постоянном электрическом поле может быть дискретным или непрерывным в зависимости от направления поля. В последнем случае ширина образующейся минизоны экспоненциально зависит от направления поля. Выявлены условия, при которых затухание блоховских осцилляций в СРКТ происходит на несколько порядков медленнее, чем в сверхрешетках из квантовых ям. Проведен расчет спектров и волновых функций носителей в цилиндрических квантовых нитях в рамках 4-х зонной модели Кейна. Исследована оже-рекомбинация в квантовых нитях. Проведен численный расчет коэффициентов оже-рекомбинации в гетероструктурах с квантовыми ямами в широком диапазоне температур. Показано, что зависимость коэффициентов оже-рекомбинации для двух основных оже-процессов CHCC и CHHS от ширины квантовой ямы является немонотонной. Исследованы механизмы оже-рекомбинации носителей в квантовых ямах в присутствии поперечного магнитного поля. Показано, что существуют три различных механизма оже-рекомбинации: (1) беспороговый, связанный с рассеянием носителей на гетерогранице; (2) квазипороговый, связанный с локализацией носителей в квантовой яме; (3) резонансный оже-процесс, связанный с квантованием Ландау в магнитном поле. Все три механизма оже-рекомбинации являются беспороговыми процессами. Коэффициенты оже-рекомбинаци, соответствующие трем процессам оже-рекомбинации, имеют разную зависимость от температуры, магнитного поля и параметров квантовой ямы. В приближении слабого магнитного поля, при конечной ширине квантовой ямы, первый и второй процессы оже-рекомбинации остаются беспороговыми; третий процесс оже-рекомбинации перестает быть резонансным и становится пороговым оже-процессом. Получены волновые функции носителей заряда в сферических квантовых точках в рамках четырехзонной модели Кейна. Исследованы зависимости коэффициента оже-рекомбинации в сферических квантовых точках от температуры и радиуса точек. В рамках метода температурных функций Грина исследовано влияние электрон-фононного и электрон-электронного механизмов рассеяния на коэффициент оже-рекомбинации в однородных полупроводниках. В рамках метода присоединенных плоских волн исследован спектр электронов для двумерной сверхрешетки из цилиндрических квантовых точек beta-HgS в матрице beta-GaS. Найдена зависимость ширины минизоны для электронов и их эффективной массы от геометрических размеров квантовых точек и расстояния между ними. В рамках многочастичной модели было исследовано влияние процессов релаксации носителей заряда на пороговые и мощностные характеристики полупроводниковых лазеров. Показано, что процессы релаксации носителей заряда заметно ухудшают рабочие характеристики лазеров. Предложен новый тип оптоэлектронных приборов - оже-лазер, действующий на межподзонном переходе носителей заряда. Исследован процесс непрямого туннелирования носителей заряда в гетероструктурах с квантовыми ямами. Показано, что в такой системе возможно охлаждение электрическим током. Разработана модель лазера на КЯ с активной областью охлаждаемой током накачки. Найдена простая вариационная функция, котороя позволяет с хорошей точностью получить энергию основного состояния X+ и X- трионов в двумерной квантовой яме при произвольном значении отношения масс электрона и дырки. Получена зависимость энергии возбужденного состояния X+ триона от отношения масс электрона и дырки. Найдено критическое значение отношения масс, при котором происходит исчезновение этого состояния. Получено аналитическое выражение для энергии связи этого состояния вблизи критического отношения масс. Развита физическая модель эволюции дефектной структуры карбида кремния при имплантации ионами азота и алюминия и отжиге. С помощью программного компьютерного комплекса DYTRIRS-MGEAR рассчитаны распределения дефектов, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными RBS-данными для различных образцов. При расчетах использовалась модель эволюции дефектной структуры карбида кремния при имплантации ионами азота и алюминия и отжиге, которая позволяет учесть поля упругих напряжений сжатия, созданных комплексами межузельных атомов и имплантированных ионов, а также влияние температуры облучения. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов позволило установить иерархию дефектов, образованных в процессе имплантации, а также выявить роль кластеров радиационных дефектов и температуры облучения в процессе эволюции микроструктуры SiC. Было также проведено моделирование процессов ионного распыления гетероструктур на основа GaAs с маркерными слоями AlAs и InAs монослойной толщины. Для каждого набора тип маркера-ион-энергия были проведены серии расчетов с различными значениями пороговой энергии смещения примесных атомов (Al или In), которые выбирались в диапазоне 1-15 эВ. Сравнение расчетных зависимостей с экспериментальными данными ВИМС-профилирования, полученными на образцах, предварительно охарактеризованных методом просвечивающей электронной микроскопии (cross section TEM), позволило уточнить определенные ранее значения пороговой энергии смещения примесных атомов Al и In в матрице GaAs. Создана оригинальная численная однокомпонентная модель эпитаксиального роста поверхности, важнейшей чертой которой явился учет взаимодействия адатома со своим окружением из второй координационной сферы. Показано что для корректного моделирования процесса формирования волнообразной ступени необходимо использовать компьютерные модели, учитывающие взаимодействие с атомами из второй координационной сферы. Доказана эффективность использования в численной модели роста предварительного расчета всех возможных конфигураций окружения адатома. Разработана методика оценки погрешности расчетов, производимых при помощи этой модели. В рамках развитой нами компьютерной модели эпитаксиального роста кристалла найдены области значений параметров, в которых возникают периодически фасетированные поверхности. В результате были смоделированы процессы самоорганизации атомных ступеней на поверхности (001) соединений типа A3B5 разориентированной в направлении [010]. Численно рассчитано подавление поверхностной диффузии при образовании квантовых точек на поверхности с волнистыми ступенями. Исследована кинетика образования зародышей твердой фазы из пересыщенного газа диффундирующих мономеров в двумерном и трехмерном пространствах при низких пересыщениях. Рассмотрен как случай заданного начального пересыщения, так и случай, когда пересыщение создается постоянным внешним источником атомов, например при эпитаксиальном росте (при этом испарение мономеров или их сток на ловушки отсутствует). Показано, что при достаточно низких пересыщениях уменьшение концентрации мономеров в областях обеднения r^2<2Dt вокруг растущих закритических зародышей значительно превышает величину, необходимую для экспоненциального уменьшения (''выключения'') скорости зародышеобразования, в то время как вне этих областей изменение концентрации экспоненциально мало. Это обстоятельство делает некорректным приближение средней концентрации, не учитывающее пространственную неоднородность пересыщения; неточность приближения средней концентрации возрастает c уменьшением пересыщения. Для описания зародышеобразования в этих условиях предложена простая модель, противоположная по своей сути приближению средней концентрации - модель диффузионных зон. Именно, предполагается, что в областях обеднения (диффузионных зонах) вокруг растущих зародышей зародышеобразование полностью прекращается, а вне областей обеднения продолжается с прежней скоростью. В рамках этой модели получены простые аналитические результаты для основных величин, характеризующих процесс зародышеобразования и ансамбль зародышей при заданных параметрах задачи: зависимости скорости зародышеобразования от времени, концентрации зародышей, их распределения по размерам. Задача о зародышеобразовании при низких пересыщения также решена аналитически в приближении средней концентрации, показано, что неточность приближения средней концентрации возрастает с уменьшением пересыщения. 3.7. Поглощение света при фотовозбуждении носителей из локализованных состояний в квантовых точках в состояния непрерывного спектра в процессе лазерной генерации и его влияние на рабочие характеристики лазера рассмотрены впервые. Эффект выжигания пространственных провалов и обусловленная им многомодовая генерация в лазере на КТ не рассматривались ранее в литературе; они рассмотрены нами впервые. Впервые дан детальный анализ этого эффекта. Полученные результаты чрезвычайно актуальны ввиду практической реализации лазеров на КТ и важности указанного эффекта. Систематический анализ пороговых характеристик лазеров на КТ в случае многих излучательных переходов ранее отсутствовал в литературе. Такой анализ нами дан впервые. Впервые получено общее соотношение между спектрами спонтанной излучательной рекомбинации и коэффициента усиления. Впервые промоделированы характеристики инжекционных лазеров на основе InAs/GaAs пирамидальных КТ. Систематический теоретический анализ пороговых и мощностных характеристик инжекционных лазеров на основе InAs/GaAs КТ, сформированных методом активированного распада твердого раствора и излучающих вблизи наиболее актуальной для нужд телекоммуникации длины волны 1.3 mkm, дан впервые. Насколько нам известно, кинетические свойства идеальных 2D и 3D сверхрешеток из квантовых точек в постоянном электрическом поле до нас не изучались. Все полученные результаты оригинальны. Впервые использованы граничные условия соответствующие гетеробарьеру конечной высоты для нахождения спектра и волновых функций носителей в цилиндрической квантовой нити в рамках 4-х зонной модели Кейна. Впервые получены аналитические выражения для волновых функций носителей заряда в квантовых ямах в присутствии поперечного магнитного поля в рамках четырехзонной модели Кейна. Впервые получены зависимости коэффициентов оже-рекомбинации в квантовых нитях и квантовых точках от радиуса, высоты гетеробарьеров и температуры. Найден спектр электронов для двумерной сверхрешетки из цилиндрических квантовых точек. Создана согласованная теоретическая модель, позволяющая учитывать влияние многочастичных процессов релаксации носителей заряда на пороговые и мощностные свойства полупроводниковых лазеров. Предложены два новых типа оптоэлектронных приборов: оже-лазер, действующий на межподзонных переходах и лазер с активной областью охлаждаемой током накачки. Лазеры данных типов имеют ряд преимуществ перед обычными лазерами на основе квантовых ям, в частности, обладают большей предельной мощностью и высокой температурной стабильностью. Впервые удалось получить с хорошей точностью энергию основного состояния X+ и X- трионов в двумерной квантовой яме при произвольном значении отношения масс электрона и дырки используя для этого вариационную функцию всего с 4-6 параметрами. Зависимость энергии возбужденного состояния X+ триона в квантовой яме от отношения масс электрона и дырки в отсутствие магнитного поля получена впервые. Аналитическое исследование критического состояния триона проводилось впервые. Впервые предложена адекватная теоретическая модель эволюции дефектов в карбиде кремния при высокодозной высокотемпературной имплантации ионами азота и алюминия с учетом влияния кластеров радиационных дефектов и температуры облучения. Определенные пороговые энергии смещения позволяют адекватно диагностировать полупроводниковые гетероструктуры на основе GaAs методам ВИМС. В известных нам работах все эффекты самоорганизации на вицинальной поверхности при эпитаксиальном росте или отжиге были получены из континуальных моделей в предположении о существовании потенциала взаимодействия между ступенями. Нами продемонстрирован эффект самоорганизации при помощи моделирования элементарных атомных процессов на поверхности методом Монте-Карло. Такой подход к рассмотрению проблемы самоорганизации использован впервые. Насколько нам известно, особенности кинетики зародышеобразования при низких пересыщениях (неприменимость приближения средней концентрации из-за больших перепадов концентрации и экспоненциально сильной зависимости скорости зародышеобразования от пересыщения) ранее не принимались во внимание. Более того, нам неизвестны работы, в которых задача о зародышеобразовании при низких пересыщениях решается аналитически хотя бы в приближении средней концентрации. 3.8. Все результаты, касающиеся теории процессов в лазерах на КТ носят пионерский характер. Они опубликованы в ведущих научных журналах (Физика и техника полупроводников , IEEE Journal of Quantum Electronics, Journal of Applied Physics) и докладывались на наиболее авторитетных в этой области российских и международных конференциях (Всероссийская конференция по физике полупроводников, SPIE's International Symposium PHOTONICS WEST'1999, Сан Хосе, США, IEEE/LEOS Summer Topical Meeting on Nanostructures and Quantum Dots, Сан Диего, США. 1999, SPIE's International Symposium PHOTONICS WEST'2000, Сан Хосе, США) О соответствии результатов исследования локализации электронов и блоховских осцилляций в сверхрешетках из квантовых точек мировому уровню свидетельствует их публикации в одном из ведущих отечественных научных журналов и их представление на главной международной научной конференции по физике полупроводников.(ICPS 25, Osaka, Japan, 2000). В литературе отсутствуют данные о коэффициентах оже-рекомбинации в квантовых нитях. Для нахождения спектра носителей в квантовых нитях и точках, обычно, в отличие от нашего метода, используются упрощенные граничные условия с бесконечной высотой гетеробарьеров. При расчете процессов излучательной и оже-рекомбинации в литературе обычно предполагается параболичность спектров носителей, что не соответствует действительности. Таким образом, полученные результаты соответствуют современному уровню мировой науки и обладают значительной степенью новизны. Расчеты волновых функций в квантовых ямах в присутствии поперечного магнитного поля и в квантовых точках выполнены для конечной высоты гетеробарьеров в рамках четырехзонной модели Кейна, что соответствует мировому уровню. Расчеты оже-коэффициентов в данных типах гетероструктур не имеют аналогов в мировой литературе. Идеи оже-лазера и лазера с охлаждаемой активной областью высказаны впервые и не имеют аналогов в мировой литературе. Указанные результаты опубликованы в ведущих научных журналах (ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ, Physical Review B, Electronic Letters), что свидетельствует об их соответствии мировому уровню. Новая вариационная функция позволяет получить с хорошей точностью энергию основного состояния X+ и X- трионов в двумерной квантовой яме при произвольном значении отношения масс электрона и дырки с помощью всего 4-6 подгоночных параметров. Минимальное количество параметров, которое использовалось для этой цели прежде - 23. Полная зависимость энергии возбужденного состояния X+ триона в квантовой яме от отношения масс электрона и дырки в отсутствие магнитного поля получена впервые в мире. Аналитическое выражение для энергии связи триона в области критического отношения масс получено впервые в мире. Имеющиеся в литературе сведения относительно модификации карбида кремния при облучении не дают возможности адекватно описывать эволюцию таких структур под воздействием падающих ионов, поскольку отсутствуют развитые физические модели происходящих процессов. Впервые представлена физически адекватная модель роста, ярко демонстрирующая наблюдаемые в экспериментальных работах эффекты самоорганизации атомных ступеней на разориентированных атомных плоскостях. Корректное аналитическое описание кинетики зародышеобразования конденсированной фазы из газа мономеров в случае низкие пересыщений получено впервые, результаты соответствует мировому уровню. 3.9. Для анализа процессов в лазерах на КТ использовались хорошо разработанные методы зонной теории полупроводников и полупроводниковых гетероструктур. При расчете коэффициента усиления использовалась разработанная нами ранее теория неоднородного уширения линии усиления и пороговых характеристик лазеров на квантовых точках. Для моделирования рабочих характеристик длинноволновых лазеров на КТ в случае многих излучательных переходов рассчитывались из первых принципов спектры коэффициента усиления и ток спонтанной излучательной рекомбинации. Использовались результаты расчетов вероятностей оптических переходов в КТ, учитывающих поля упругих напряжений и пьезоэлектрический эффект в них. Для описания кинетики носителей в СРКТ использовалось штарковское представление собственных функций электронов в СРКТ в электрическом поле, найденное авторами в ходе выполнения проекта. Для описания блоховских осцилляций и рассеяния использовался формализм матрицы плотности для СРКТ в штарковском и фурье-сопряженном ему хаустоновском представлении. Носители заряда в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурых были описаны в рамках 4-х зонной модели Кейна. Это позволило учесть непараболичность спектра носителей и сложную валентную зону, что необходимо для правильного описания оже-процессов. Для расчета волновых функций носителей заряда в квантовых ямах в присутствии магнитного поля, а также в сферических квантовых точках использовалась четырехзонная модель Кейна с конечным значением константы спин-орбитального расщепления. В рамках этой модели, граничные условия на интерфейсе были найдены из условия сохранения нормальной компоненты плотности потока вероятности. Таким образом, вместо обычно используемых волновых функций соответствующих гетеробарьерам бесконечной высоты были получены более реалистичные волновые функции, соответствующие конечной высоте гетеробарьеров. Для нахождения спектра электронов для двумерной сверхрешетки из цилиндрических квантовых точек beta-HgS в матрице beta-GaS был использован метод присоединенных плоских волн. Для учета многочастичных процессов релаксации использовалась температурная диаграммная техника (техника Мацубары). Для расчета энергии связи основного и возбужденного состояний X+ и X- трионов в квантовой яме при различных отношениях масс использовались вариационные методы. При исследовании критического состояния X+ триона использовались адиабатический подход, методы