Введение к работе
Актуальность темы. В полупроводниках боровский радиус экс-птона может превышать постоянную решетки более чем на порядок, благодаря малым величинам масс электронов и дырок. Это означает, что экситон представляет собой макроскопическое образование, аналогичное атому, что позволяет описывать энергетический спектр эксито-на в приближении эффективной массы. Так же как и атомы, экситоны взаимодействуют между собой и могут образовывать эксптонные молекулы и конденсироваться в жидкую фазу - электронно-дырочную жидкость (ЭДЖ).
Исследование коллективных эффектов в экситонной системе является одним из актуальных направлении физики твердого тела.
Экситоны в сильно одноосно деформированном Ge предоставляют для этого уникальную возможность. Ge - непрямой полупроводник, время жизни неравновесных носителей в котором гораздо больше времени их тепловой релаксации. В этих условиях электронно-дырочная (ЭД) система успевает остыть до температуры, близкой к температуре кристаллической решетки. Это позволяет говорить о термодинамически квазправновесной ЭД системе. С увеличением деформации закон дисперсии дырок, весьма сложный в недеформированном Ge, все более приближается к параболическому из-за расщепления ранее вырожденных уровней в валентной зоне. Кроме того, соотношение времен жизни и времени спиновой релаксации в деформированном Ge позволяет добиться спиновой ориентации экситонов магнитным полем. В пределе высокого давления одноосно деформированный Ge наиболее близок к модели идеального полупроводника с невырожденными зонами и квадратичным законом дисперсии. Ожидается, что основным состоянием
электронно-дырочной системы в таком идеальном полупроводнике при Т —> 0 является бозе-конденсат биэкситонов. Но при понижении температуры и увеличении плотности взаимодействие между экситонами становится существенным и бозе-конденсации экситонов препятствует их конденсация в электронно-дырочную жидкость [1, 2].
Ранее было найдено, что одноосная деформация Ge вдоль оси, отклоняющейся от [100] на 3 — 5 градусов (обозначим ее [~ 100]), позволяет наиболее сильно уменьшить энергию связи и плотность ЭДЖ и получить рекордно высокую плотность газа экситонов [3]. Линия люминесценции ЭДЖ при этом становится не видна в спектре на фоне линий свободных экситонов и биэкситонов. В газе экситонов высокой плотности, спин-ориентированных магнитным полем, наблюдалось сужение линии люминесценции экситонов при увеличении лазерной накачки, связанное с проявлением квантово-статистических свойств газа экситонов [4]. Исследование ЭДЖ малой плотности в Ge[~ 100] показало, что ее стабильность по отношению к газу экситонов уменьшается в магнитном поле до 1 Тл [3]. При дальнейшем увеличении магнитного поля энергия связи ЭДЖ проявляла тенденцию к росту, однако вопрос о стабильности ЭДЖ по отношению к газу экситонов в более сильном магнитном поле остался открытым. Уменьшение энергии связи ЭДЖ открывало бы возможность получения газа экситонов еще большей плотности и продвижения в сторону их бозе-конденсации.
Отметим также, что в ряде теоретических работ предсказывается возможность образования в сильном магнитном поле (в пределе В -» со) стабильной экситонной молекулы, состоящей из двух спин-ориентированных экситонов [5, 6].
Гетероструктуры на основе Ge/Si представляют из себя новый класс двумерных структур, интерес исследователей к которым быстро
растет. Это связано, в первую очередь, с перспективой интегрирования новых полупроводниковых приборов на их основе в традиционную Si мнкротехнологию.
Кроме того, структуры на основе Ge/Si перспективны для исследования коллективных эффектов в газе квазидвумерных экситонов. Значительно меньшая по сравнению со структурами на основе соединений А3В5 скорость излучательной рекомбинации позволяет рассчитывать на большие времена жизни экситонов (~ Ю-5 — 10~б с) и получение квазидвумерной эксптонной системы с температурой, близкой к температуре кристаллической решетки.
Недавно появилось сообщение о наблюдении линии, соответствующей рекомбинации квазидвумерного биэксптона в спектре люминесценции квантовоі"і ямы Si/SiGe/Si [7]. Хотя данных о существовании ЭДЖ в структурах на основе SiGe до сих пор не было, расчет энергии связи квазпдвумерной ЭДЖ в квантовой яме SiGe/Ge/SiGe на подложке Ge(100) указывает на то, что ЭДЖ стабильна по отношению к газу экситонов и бпэкситонов при любой толщине квантовой ямы [8]. Согласно расчету, квазидвумерная ЭДЖ в этих структурах должна обладать достаточно большой энергией связи по отношению к газу экситонов ~ 0.6 мэВ.
Фотолюминесценция является одним из основных методов исследования ЭД системы и коллективных эффектов в ней. В то время как спектры люминесценции гетероструктур SiGe/Si хорошо изучены, спектры люминесценции гетероструктур Ge/GeSi исследованы менее детально. В связи с этим изучение спектров люминесценции гетероструктур Ge/GeSi представляется важной и актуальной задачей.
Целью работы при исследовании электронно-дырочной системы в одноосно деформированном Ge было выяснение вопроса о стабиль-
ности ЭДЖ по отношению к газу экситонов в условиях сильной одноосной деформации и ее изменении в магнитном поле.
Целью исследования магнитолюминесценции гетероструктур Ge/SiGe являлось определение природы наблюдаемых в спектре люминесценции линий.
Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:
-
Металлическая ЭДЖ в одноосно деформированном Ge[~ 100] стабильна вплоть до давлений Р~ 3 кбар (расщепление уровней в валентной зоне ДЕ„ ~ 14 мэВ).
-
Магнитное поле стабилизирует металлическую ЭДЖ в одноосно деформированном Ge по отношению к газу экситонов, начиная с полей, для которых параметр 7 = hu>c/2Ry ~ 1 (Ншс - сумма циклотронных энергий электронов и дырок, Ry - энергия связи экситона в отсутствие магнитного поля). С ростом магнитного поля увеличиваются ее плотность и энергия связи.
-
Наблюдаемые в спектре люминесценции гетероструктур 00/661-3:813: линии связаны с рекомбинацией свободных и связанных на примесях экситонов в слоях Ge. Наблюдаемое смещение фиолетового края линии люминесценции в магнитном поле обусловлено диамагнитным поведением квазидвумерных экситонов.
Научная и практическая ценность работы. Исследования электронно-дырочной системы в одноосно деформированном Ge позволяют сделать вывод о том, что уже достаточно слабое магнитное поле (7—1) стабилизирует металлическую фазу по отношению к диэлектрической. Этот важный факт необходимо учитывать при дальнейших исследованиях коллективных эффектов в неравновесной ЭД системе в полупроводниках.
Исследования магнитолюминесценщш гетероструктур Ge/Gei-jjSiz, проведенные в данной работе впервые, показали эффективность этого метода для изучения свойств данных структур. Измерения магнитолюминесценщш позволили определить ряд параметров гетероструктур, важных как для совершенствования технологии их роста, так и для дальнейших фундаментальных исследований.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Второй Российской Конференции по Физике Полупроводников (Зелено-горек, 1996), 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (С.-Петербург, 1996), 10th International Conference on Superlattice, Microstructures and Microdevices (Lincoln, Nebraska, USA, 1997).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.