Введение к работе
Актуальность темы. Кристаллические твердые растворы широко используются в современной полупроводниковой микроэлектронике. Важной чертой этих систем является возможность контролируемого изменения их основных параметров - ширины запрещенной зоны Е и постоянной решетки ао - путем изменения концентрации компонент, образующих твердый раствор. Возможность изменения Е используется для создания новых объемных или пленочных излучателей и . приемников света, работающих в нукной спектральной области. Возможность изменения постоянной решетки чрезвычайно важна для управления качеством и свойствами двумерных гетероструктур с Квантоворазмерннми эффектами. В таких структурах высокое качост-во интерфейсных границ обеспечивается обычно только в случае Достаточно хорошего соответствия постоянных решетки материала-барьера и материала-ямы. Перечисленные обстоятельства достаточны, чтобы объяснить устойчивый интерес к исследованию свойств твердых растворов, сохраняющийся в течение последнего времени.
Большинство выполненных в этой области работ связаны с исследованием тройных и четверных растворов соединений АэВа. Однако в последнее время можно отметить возрастающую активность в Исследовании свойств твердых растворов широкозонннх соединений АгВй. Свидетельством этого являются регулярные международные конференции по проблемам физики этих соединений, проводимые в последние годы. Очевидными причинами такого интереса являются как возможность с помощью соединений А2Вв перекрыть весь видимый, а также ближние Ж и УФ диапазоны .оптического спектра, так и быстрый прогресс в технологии выращивания таких соединений, в том число эпитаксиальными методами.
Помимо возможного практического интереса полупроводниковые твердые растворы привлекают внимание в качестве модельной систему для исследования влияния беспорядка на электронные состояния твердых тол. Эта роль кристаллических твордах растворов отражает их большое преимущество по- сравнению с другими представителями неупорядоченных систем - аморфными и стеклообразными полупроводниками - возможность плавного изменения степени беспорядка путям простого изменения их состава. Подобная возможность позволяет проследить эволюцию свойств кристаллической си-
стемы от случая, когда неидоальность кристалла определяется наличием фоновой концентрации точечных примесей и дефектов решетки, до систем масштаб беспорядка в которых сравним с ситуацией в некристаллических твердых толах. Такие исследования, как показано в диссертации, дают богатый материал о влиянии беспорядка на форму и положение краев электронных зон, а также об изменении динамических свойств носителей и эксигонов в таких системах. Теоротичоские модели, развиваемые для описания свойств твярднх растворов, обусловленных беспорядком, позволяют глубже понять свойства также и некристаллических твердых тел.
Цоль работы, объекты и методы исследования. Диссертация посвящена изучению влияния флуктуации состава на энергетический спектр и динамические свойства электронных состояний изоморфных твердых-растворов полупроводников соединений А2Вв в окрестности края собственного поглощения. Основное внимание уделено твердым растворам с замещением в анионной подрешетке, для которых, как показано в диссертации, в широком интервале составов и температур рассеяние электронных возбуждений на флуктуирующем потенциальном рельефе является основным механизмом рассеяния. Источником информации об электронных свойствах твердых растворов послужили оптические спектры в окрестности края собственного поглощения, которио оказались чрезвычайно чувствительными к возмущению краев электронных зон, вызываемому беспорядком.
Оснотшыо результаты диссертации и научная новизна.
Научная новизна работы определяется рядом перечисленных 'лижо нових результатов.
В диссертации показано, что форма и положение края собственного поглощения в нолегировашшх тройных твердых растворах А В с еяиошшм замещением определяется рассеянием акситонов на іііпуктуац'.ілх состава, причем этот процесс не оказывает заметного влшшлч на внутреннее движение зкеитона, изменяя, главным образен, состояние дырки.
О".нарук;но, что в концентрационной зависимости ширины за-прещен-сй vcn:i твердых рас „.оров существует вклад, связанный с рассеянием зкп'тонов на Флуктуацпнх состава. Этот результат является новим для г>с?го мнокоства кристаллических.тьорднх раст-
воров.
В твердих растворах прямозонных полупроводников впервые обнаружены состояния дырок и экситонов, локализованных в ямах потенциального рельефа, создаваемого флуктуациями концентрации компонент твердого раствора.
Предложена модель излучательной рекомбинации неравновесных носителей через локализованные состояния дырок флуктуациошой природо. Показано, что в зависимости от условий Еозбувдония рекомбинация через такие состояния либо идет по вкситошюму механизму, либо имеет туннельный характер. Экспериментально просле-кен переход от одного механизма рекомбинации к другому при изменении условий эксперимента.
Показано, что все многообразие твердых растворов полупроводников мокет быть разбито на два класса, в соответствии с той ролью, которую играют локализованные флуктуация концентрации состояния в процессах рекомбинации неравновесных носителей. При этом большая роль рассеяния на флуктуациях состава в анионных твердых растворах АгВв связана с близостью в этих системах рассеяния дырки на изолировшшом атоме замещения к резонансному.
Обнаружены локализованные состояния дырок и экситонов на статистических кластерах, образованных атомами узксзонной компоненты твердых растворов, и впервые экспериментально прослежен переход от локализации на кластерах к локализации на флуктуациях состава твердого раствора.
Экспериментально обнаружен "порог" подвижности в энергетическом спектре твердых растворов и, тем самим, впервые показано, что оптическая спектроскопия является чувствительным методом, позволящим проследить область перехода от локализованных к распространенным электронным возбуждениям в спектрз неупорядоченных твердых тел.
Научная и практическая значимость работа.
1) В диссертации получены новые научные результаты, касеп-щиеся практически вогзшх и интересных "с научней точки зрения свойств объемных твердых растворов, сбусловлешшх имощимся в таких системах беспорядком. Практическая значимость работа заключается в установлении закономерностей процессов рассеяния
- б -
электронных возбувдений на флуктуациях состава твердах растворов, что позволило провести классификацию твердах растворов по той роли, которую играет такое рассеяние, и показать существование класса твердах растворов, в котором это рассеяние является, основным. Создана модель рекомбинации неравновесных носителей заряда и экситонов в этом классе соединений.
В работе предложен метод определения ширины запрещенной зоны по спектрам люминесценции для твердах растворов с большим масштабом эффектов беспорядка, в спектре отражения которых, как следствие, отсутствует вкситонная структура.
2) Результаты исследований, вошедших в диссертацию, использованы другими авторами при интерпретации экспериментальных данных и в теоретических расчетах, позднее опубликованных в отечественных и зарубежных статьях.
Научные вывода носят общий характер и не ограничиваются только объектами исследования, использованными в работе. Они относятся к широкому классу кристаллических твердых растворов и могут быть использованы в исследованиях по физике твердах растворов, оптики твердого тела, в задачах диагностики объемных твердах растворов и полупроводниковых гетероструктур, в том числе многослойных, включающих твердый раствор в качестве материала слоя.
Научные положения, выносимые на защиту.
I. Форма и положение края собственного поглощения в неле-
гированных твердых растворах АгВй с анионным замещением опреде
ляются при низких температурах рассеянием экситонов на флуктуа
циях состава.
II. В концентрационной зависимости ширины запрещенной зоны'
твердых растворов полупроводников существует вклад, который
связан с рассеянием экситонов на флуктуациях состава.
III. В твердых растворах прямозонных полупроводников обна
ружены состояния дырок и экситонов, локализованные в ямах по
тенциального рельефа, создаваемого флуктуациями концентрации
компонент твердого раствора.
IV. Предложена модель излучательной рекомбинации через
флуктуационные состояния дырок: в зависимости от условий экспе-
римента рекомбинация через такие состояния идет либо по экси-тонному механизму, либо по туннельному. При изменении экспериментальных условий возбуждения наблюдается переход от одного механизма рекомбинации к другому.
V. В анионных твердых растворах АгВл большой масштаб эффектов, обусловленных флуктуациями состава, вызван близостью рассеяния дырки на изолированном атоме замещения к резонансному.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на Международном семинаре "EXcltons-84" (Гюстров, 1984), Международных конференциях по динамическим процессам в возбужденных состояниях в твердом теле (Лион 1985, Токио 198Т), Международных конференциях по люминесценции (Западный Берлин 1981, Пекин 1987). двустороннем СССР-США симпозиуме по лазерной оптике конденсированных сред (Ленинград 1987), V Международном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Вильнюс 1987), Международной конференции по соединениям А2Вд (Западный Берлин, 1989), XXIII и XXV Прибалтийских семинарах по физике ионных кристаллов (Таллинн 1981 и 1982), Всесоюзном совещании "Экситоны в полупроводниках" с участием ученых социалистических стран (Ленинград, 1982), Всесоюзных совещаниях "Экситоны в кристаллах" (Рига 1983, Черноголовка 1984, Киев 1986, Вильнюс 1988), V Всесоюзном совещании по физике и техническим приложениям полупроводников А2ВЛ (Вильнюс 1983), Всесоюзных совещаниях по люминесценции (Ровно 1984, Таллинн 1987), Всесоюзных конференциях по физике полупроводников (Минск 1985, Кишинов 1988, Киев 1990), докладывались и обсуждались на семинарах в ФИ АН СССР им. П.Н.Лебедэва, ИФТТ АН СССР, НИМФ ЛГУ, ЛЭТИ им.В.И.Ульянова-Ленина, на семинарах в ряде отделов ФТИ.
Публикации. Наиболее существенные работы по теме диссертации приведены в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и двух приложений. Объем диссертации составляет 293 страниц текста, включая 76 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 139 наименований, включая работы автора.