Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованию энергетического спектра двумерных электронных состояний, локализованных вблизи плавной гетерограницы бесщелевого полупроводника Hgi-xCdxTe с широкозонным полупроводником или диэлектриком, при наличии потенциальной квантовой ямы в приграничной области полупроводника.
Большой интерес исследователей к электронным системам с пониженной размерностью обусловлен не только последними достижениями микроэлектроники на пути миниатюризации микроэлектроншлх приборов, но и обнаружением в таких системах новых уникальных физических явлений, таких как квантовый эффект Холла, композитные фермионы, кулоновская блокада.
Несмотря на то, что в последние десятилетия появилось огромное количество работ, посвященных исследованшо дву-, одно- и даже нуль- мерных систем носителей в различных полупроводниковых материалах, в настоящее время за рамками внимания остается ряд вопросов, в частности, касающихся особенностей размерного квантования носителей в таких уникальных материалах, как бесщелевые полупроводники. Так, не исследовано влияние ширины переходной области на спектр двумерных состояний в гетеропереходах бесщелевой полупроводник/полупроводник, а также спектр двумерных состояний при наличии квантовой ямы вблизи гетерограницы. Отсутствие в литературе теоретических исследований затрудняет, а часто делает невозможной интерпретацию экспериментальных результатов, полученных в таких гетеро-структурах.
Перечисленные обстоятельства определяют актуальность данной диссертационной работы, выполненной в рамках исследований, проводимых и отделе оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ ФПМ при Уральском госуниверситете.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании энергетического спектра двумерных электронных состояний в гетеро- и МДП-структурах на основе бесщелевого полупроводника при наличии изгиба зон вблизи гетерограницы.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые исследовано влияние ширины гетероперехода на спектр интерфейсных состояний электронного типа в гетероструктуре бесщелевой полупроводник/полупроводник.
Впервые исследована эволюция спектра двумерных состояний в гетеропереходах на основе бесщелевого полупроводника при изменении глубины квантовой ямы, образованной гетерограницей с одной стороны и изгибом зон в приграничной области полупроводника с другой.
Впервые исследован энергетический спектр двумерных носителей в гетероструктуре HgTe/HgCdTe при наличии квантовой ямы вблизи гетерограницы и проведена количественная интерпретация результатов туннельных исследований этих структур на основе предложенного в работе теоретического подхода.
Впервые исследован спектр незанятых двумерных состояний в МДП-структуре на основе бесщелевого HgCdTe, где в качестве диэлектрика используется аморфный окисел, и на основе предложенного в работе подхода описаны качественные и количественные особенности спектра, экспериментально обнаруженные методом туннельной спектроскопии.
Впервые исследованы двумерные состояния в бесщелевом полупроводнике в условиях, когда они находятся в резонансе с объемными состояниями тяжелых дырок валентной зоны, а также проанализированы резонансные эффекты в узкощелевом полупроводнике.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
Физические явления на границах раздела различных полупроводниковых материалов, исследованию которых посвящена работа, чрезвычайно важны и их необходимо учитывать при разработке приборов микро- и оптоэлектроники. Тот факт, что многие из таких приборов работают при низких температурах, при которых квантовые эффекты проявляются сильнее, делают результаты проведенного исследования размерно квантованных эффектов значимыми с практической точки зрения. Полученные результаты могут быть использованы в научно-исследовательских институтах и на предприятиях, занимающихся исследованиями и разработкой микро- и оптоэлектронных приборов, в том числе, генераторов и перестраиваемых фотоприемников ИК-излучения, созданных на основе наиболее изученного в настоящее время полупроводника Hgi-xCdxTe.
На защиту выносятся следующие результаты:
Результаты расчета спектра интерфейсных состояний в плавных гетеропереходах на основе бесщелевого полупроводника, которые показали, что уширение гетероперехода приводит не только к понижению энергии интерфейсных состояний, но и к существенной перестройке их спектра - если в узких гетеропереходах существует только одна ветвь невырожденных интерфейсных состояний, то в гетеропереходах с большой шириной переходной области имеются две ветви таких состояний.
Результаты расчета энергетического спектра двумерных состояний в гетероструктуре бесщелевой полупроводник/полупроводник при наличии квантовой ямы вблизи гетерограницы, на основании которых было показано, что наличие квантовой ямы вблизи гетерограницы приводит к уменьшению энергии интерфейсных состояний и появлению второй ветви интерфейсных состояний, из которых при увеличении глубины квантовой ямы формируются две ветви основной
подзоны размерного квантования, расщепленной спин-орбитальным взаимодействием в несимметричной квантовой яме.
Результаты количественного анализа экспериментальных данных туннельных исследований гетероструктур HgTe/Hgo.o5Cdo.95Te, в ходе которого обнаружено, что в исследованных структурах существуют двумерные носители, локализованные в квантовой яме вблизи гете-рограницы, а сложная осцилляционная зависимость туннельной проводимости от магнитного поля обусловлена наличием нескольких заполненных размерно квантованных подзон, расщепленных спин-орбитальным взаимодействием в несимметричной квантовой яме.
Результаты исследований спектра двумерных состояний в МДП-структурах на основе бесщелевого HgCdTe, где в качестве диэлектрика использован аморфный окисел, в ходе которых количественно описаны зависимости энергии, величины спин-орбитального .расщепления и эффективной массы двумерных состояний от квазиимпульса в широком интервале энергий при различной глубине квантовой ямы.
Результаты расчета спектра резонансных двумерных состояний, находящихся на фоне сплошного спектра валентной зоны тяжелых дырок, которые показали, что а) в бесщелевых полупроводниках межзонное смешивание приводит к значительному уширению уровней двумерных состояний вплоть до их полного исчезновения в узкой области квазиимпульсов вблизи дна основной подзоны размерного квантования; б) в узкощелевых полупроводниках резонансные эффекты необходимо учитывать лишь при высокой примесной концентрации в полупроводнике.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Международном симпозиуме "Гстероструктуры в науке и технологии" (Вюрцбург, март 1995 г.), 2-й Российской конференции по физике полупроводников (Зелепогорск,
февраль 1996 г.), 12-й Международной конференции по применению сильных магнитных полей (Вюрцбург, июль 1996 г.), Международном симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург, июнь 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 143 страницы. В диссертации содержится 2 таблицы и 37 рисунков. Список цитируемой литературы представлен 88 наименованиями.
Исследования проводились в отделе оптоэлектроники и полупроводниковой техники НИИ физики и прикладной математики при Уральском госуниверситете им. А. М. Горького по финансируемой из федерального бюджета теме "Свойства двумерного электронного и дырочного газа. Фундаментальное исследование". Диссертационная работа выполнялась при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 97-02-16168), программ Физика твердотельных наноструктур (грант 97-1091) и Университеты России.
