Введение к работе
Актуальность темы. Исследование низкоразмерных электрон-дырочных систем в полупроводниковых гетероструктурах является одним из основных направлений физики полупроводников. Вследствие возможности конструирования структур с требуемой архитектурой полупроводниковые гетероструктуры предоставляют уникальную возможность для исследования фундаментальных физических явлений. Одним из наиболее интересных направлений в области является исследование корреляционных эффектов в низкоразмерных электронных, дырочных и электрон-дырочных системах. В частности, корреляционные эффекты в двумерном электронном газе, а также в двумерном дырочном газе лежат в основе таких явлений как дробный квантовый эффект Холла и Вигнеровскап кристаллизация.
Фундаментальные физические свойства двумерного электронного газа и двумерного дырочного газа в полупроводниковых гетероструктурах широко исследуются многими научными коллективами в различных лабораториях мира в течении последних двух десятилетий. Физические свойства двумерной нейтральной электрон-дырочной системы являются менее изученными. В то же время нейтральные системы представляют фундаментальный физический интерес, в частности, всвязи с возможностью реализации различных теоретически предсказанных коллективных состояний.
Так, в шестидесятых годах было теоретически предсказано, что электрон-дырочное взаимодействие в нейтральной электрон-дырочной системе может привести к конденсации связанных электрон-дырочных пар, экситонов, в импульсном пространстве. В случае разреженного экситонного газа (па], <С 1, где ав - Боровский радиус экситона, п - электрон-дырочная плотность, у - размерность системы) экситоны могут рассматриваться как слабо взаимодействующие Бозе-частицы, и конденсация аналогична конденсации Бозе-Эйнштейна бозонов, в то время как в случае плотной электрон-дырочной системы (ndg 3> 1) экситоны аналогичны Куперовским парам, а экситонный конденсат, называемый экситонным диэлектриком, аналогичен БКШ (Бардин-Купер-Шриффер)
сверхпроводящему состоянию [1,2]. В отличие от БКШ сверхпроводника, в экситонном диэлектрике спаривание происходит вследствие электрон-дырочного взаимодействия, пары нейтральны и состояние является диэлектрическим. Условия конденсации могут быть достигнуты только если температура экситонов ниже критической температуры, Тс. Для конденсации в системе слабовзаимодействующих бозонов Тс обратно пропорциональна массе бозонов. Так как эффективные массы экситонов в полупроводниках малы, порядка массы свободного электрона, Тс для конденсации экситонов на несколько порядков больше, чем Тс для конденсации Бозе-атомов. Последняя была недавно экспериментально обнаружена; Тс конденсации атомов находятся в области микроКельвинов [3]. Согласно теоретическим расчетам, для экспериментально доступных плотностей экситонов в полупроводниках Тс должна достигать нескольких Кельвинов. Таким образом, согласно теоретическим предсказаниям, нейтральная электрон-дырочная система в полупроводниках предоставляет уникальную возможность экспериментального наблюдения и исследования высокотемпературного конденсата Бозе-Эйнштейна, а также перехода от конденсата Бозе-Эйнштейна к экситонному диэлектрику при увеличении электрон-дырочной плотности, которая мо?кет задаваться контролируемым образом, например, мощностью фотовозбуждения электронов и дырок.
Кроме экситонного конденсата в нейтральной электрон-дырочной системе были теоретически предсказаны и другие коллективные состояния. Так, для пространственно разделенных слоев электронов и дырок в сильном магнитном поле перпендикулярном плоскости слоев была предсказана электрон-дырочная несжимаемая Ферми жидкость (состояния дробного квантового эффекта Холла электронов и дырок в слоях), которая должна становиться основным состоянием в случае большого расстояния между слоями, d > 1В (где lB = Jhc/eB - магнитная длина), когда электрон-электронное и дырочно-дырочное взаимодействия доминируют над электрон-дырочным взаимодействием и определяют основное состояние [4,5]. Кроме того в литературе обсуждалась возможность конденсации в координатном пространстве, т. е. возможность образования электрон-дырочных капель в двумерных системах [4,6,7].
Цель работы. Диссертация посвящена экспериментальному исследованию нейтральной и заряїкенной электрон-дырочной системы в одиночных и двойных полупроводниковых квантовых ямах. Ее основными задачами являются:
Исследование корреляционных эффектов в нейтральной электрон-дырочной системе в одиночных квантовых ямах.
Исследование корреляционных эффектов в двумерном электронном газе и в двумерном дырочном газе.
Исследование нейтральной системы пространсвенно разделенных слоев электронов и дырок в двойных квантовых ямах (ДКЯ). Особенностью ДКЯ является малая скорость рекомбинации электронов и дырок. Это позволяет реализовать нейтральную электрон-дырочную систему большой плотности с малой эффективной температурой.
Данные эксперименты позволяют исследовать фундаментальные физические свойства электрон-дырочных систем в низкоразмерных полупроводниковых структурах, в частности, корреляционные эффекты и коллективные состояния в системах. Подчеркнем, что рассматриваемая система пространственно разделенных слоев электронов и дырок предоставляет уникальную возможность экспериментального исследования квазидвумерной нейтральной электрон-дырочной системы при сверхнизких температурах. В этом заключается научная ценность диссертации.
Научная новизна определяется полученными в работе следующими основными результатами:
1. Исследованы корреляционные эффекты в нейтральной электрон-дырочной маг-нитоплазме в InGaAs/InP одиночных квантовых ямах в сильных магнитных полях (В < 8.65 Тл) в широком диапазоне температур 2 < Г < 110 К.
Впервые доказано существование экситонов на уровне Ферми в плотной нейтральной низкотемпературной электрон-дырочной магнитоплазме в квантовых ямах. Найдено, что магнитоэкситоны на одном уровне Ландау могут рассматриваться как невзаимодействующие, а взаимодействие магнитоэкситонов разных уровней приводит к понижению их энергии.
Впервые обнаружено, что спиновое расщепление в нейтральной квазидвумерной системе в полупроводниковых квантовых ямах перенормируется вследствие многочастичного взаимодействия между разными уровнями Ландау.
2. Исследованы корреляционные эффекты в фотолюминесценции двумерного элек
тронного газа и двумерного дырочного газа в InGaAs/GaAs и GaAs/AIGaAs одиночных
квантовых ямах в сильных магнитных полях (В < 16 Тл) при низких температурах
Т > 50 мК.
Найдено, что в двумерном электронном газе в режиме целочисленного квантового эффекта Холла локализация носителей приводит к понижению энергии оптических переходов между электронными и дырочными уровнями Ландау, а также к появлению запрещенных оптических переходов между электронными и дырочными уровнями Ландау с разными номерами.
Впервые обнаружены реплики оптических переходов между уровнями Ландау в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях, обусловленные испусканием дополнительной квазичастицы, являющейся смешанным состоянием магнитоплазмона и оптического фонона.
Найдено, что в двумерном электронном газе с малым расщеплением между уровнем Ферми и возбужденной подзоной релаксация неравновесных электронов из возбужденной подзоны осциллирует с магнитным полем, в частности, резко уменьшается вблизи нечетных факторов заполнения. Показано, чдо релаксация определяется относительной ориентацией начального и конечного спиновых состояний электронов.
Впервые обнаружены пиковые особенности (каспы) в интенсивности фотолюминесценции двумерного дырочного газа при целочисленных и дробных факторах заполнения.
Впервые обнаружено появление новых линий фотолюминесценции двумерного дырочного газа, а также пороговое увеличение времени рекомбинации, соответствующие возникновению диэлектрической фазы при низких факторах заполнения (ниже 1/3).
3. Исследованы долгоживущие непрямые экситоны в системе пространственно разде
ленных слоев электронов и дырок в GaAs/AIGaAs и InGaAs/GaAs двойных квантовых
ямах в сильных магнитных полях (В < 16 Тл) при низких температурах (Г > 50 мК).
Классифицированы одночастичные и экситонные состояния в симметричной двойной квантовой яме. Показано, что с увеличением нормального электрического и магнитного полей в симметричных двойных квантовых ямах с сильной туннельной связью происходит переход от симметричных и антисимметричных электронных и дырочных парных состояний к прямым и непрямым экситонным состояниям.
Найдено, что энергия основного состояния системы пространственно разделенных слоев электронов и дырок увеличивается с увеличением электрон-дырочной плотности. В частности это означает, что конденсация в координатном пространстве (т.е. образование электрон-дырочных капель) энергетически невыгодна. При малых плотностях увеличение энергии обусловлено отталкивательным экситон-экситонным взаимодействием, в то время как при больших - электрическим полем между разделенными слоями электронов и дырок, которое частично компенсирует внешнее электрическое поле.
Впервые обнаружено резкое увеличение интенсивности фотолюминесценции долго-живущих непрямых экситонов после окончания импульса лазерного возбуждения, сопровождающееся быстрым затуханием интенсивности. Эффект объясняется резким увеличением заполнения оптически активных экситонных состояний вследствие резкого понижения эффективной температуры непрямых экситонов.
4. Исследованы долгоживущие непрямые экситоны в AlAs/GaAs двойных квантовых ямах в сильных магнитных полях (В < 14 Тл) при низких температурах (Т > 350 мК).
Впервые обнаружена фотолюминесценция нульмерных экситонных состояний в хаотической системе квантовых точек, образованных флуктуаципми интерфейса, в двойных квантовых ямах.
Найдено, что скорость энергетической релаксации непрямых экситонов, наблюдаемая в диапазоне времен от единиц до сотен наносекунд, определяется миграцией экситонов между локальными минимумами хаотического потенциала в плоскости двойной квантовой ямы и растет с увеличением коэффициента диффузии экситонов.
Исследованы транспорт и фотолюминесценция непрямых экитонов в двойных кван-
товых ямах в условиях теоретически предсказанной конденсации экситонов, аналогичной конденсации Бозе-Эйнштейна, а именно, при низких температурах в сильных магнитных полях. Впервые обнаругкены сильное увеличение подвижности непрямых экситонов, сильное увеличение скорости излучательной рекомбинации непрямых экситонов и сильные шумы в интегральной интенсивности фотолюминесценции непрямых экситонов. Исследованные зависимости наблюдаемых эффектов от температуры, плотности экситонов и магнитного поля показывают, что они находятся в соответствии с появлением сверхтекучести экситонов, суперлюминесценцией экситонного конденсата и флуктуациями вблизи фазового перехода, и свидетельствуют о конденсации экситонов в присутствии хаотического потенциала.
Перечисленные результаты выносятся на защиту.
Апробация работы. По результатам, положенным в основу диссертации, сделаны приглашенные доклады на Международной конференции по мезоскопической физике и технологии (Черноголовка, 1994 г.), на Международном симпозиуме по физике и технологии наноструктур (Ст. Петербург, 1994 г.), на 2-ой Российской конференция по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996 г.), на конференции Американского физического общества (Ст. Луис, США, 1996 г.), на 23-ей Международной конференции по физике полупроводников (Берлин, 1996 г.), на Международной конференции по мезоскопичес-ким и сильно скоррелированным электронным системам (Черноголовка, 1997 г.), на Международном симпозиуме по фазовым переходам в связанных электрон-дырочных и электрон-электронных слоях (Делфт, Нидерланды, 2000).
Результаты докладывались также на Всесоюзном совещании по экситонам в полупроводниках (Вильнюс, 1988 г.), на 20-ой Международной конференции по физике полупроводников (Салоники, Греция, 1990 г.), на Международной конференции Европейского физического общества (Регензбург, Германия, 1993 г.), на 3-ей и 6-ой Международных конференциях по оптике экситонов в низкоразмерных системах (Монтпелье, Франция, 1993 г., Аскона, Швейцария, 1999 г.), на 11-ой и 12-ой Международных конференциях по высоким магнитным полям в физике полупроводников (Бостон, США, 1994 г.,
Вюрцбург, Германия, 1996 г.), на 9-ой и 13-ой Международных конференциях по электронным свойствам двумерных систем (Ноттингем, Великобритания, 1995 г., Оттава, Канада, 1999), на Научной сессии Отделения общей физики и астрономии Российской академии наук, Москва, 1996 г.; а также на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ФИАН, ИС РАН, ИАЭ им. Курчатова, в Университетах Вюрцбурга (Германия), Мюнхена (Германия), Делфта (Нидерланды), Эйндховена (Нидерланды), Санта Барбары (США), Принстона (США), Беркли (США), в Белл-лаборатории в Нью-Джерси (США).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 25 публикациях. Список работ приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 207 страниц, включал 75 рисунков.