Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ. 7
Положения, выносимые на защиту 18
Глава 1. ФЛУКТУАЦИОННЫЕ ЭКСИТОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В ОБЪЕМНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ II-VI ПОЛУПРОВОДНИКОВ. . . 2 0 1.1 Проявление локализации экситонов флуктуационными состояниями в спектрах низкотемпературной фотолюминесценции твердых растворов полупроводников с анионным замещением . . .20
ТР CdSi_bSeb 20
ТР ZnSi-bSe^ 29
ТР ZnSet-ьТеь 34
1.2 Роль флуктуационных экситонов в переносе
электронного возбуждения в твердых растворах
полупроводников 4 3
1.3 Квантовый выход фотолюминесценции твердых растворов
полупроводников 4 8
1.4 Туннельная релаксация флуктуационных экситонов и
форма полосы низкотемпературной фотолюминесценции
в твердых растворах 59
Общие соображения 59
Экспериментальные результаты 62
Теоретический расчет: оценки 69
1.4.4 Уточненный теоретический расчет 77
1.5 Основные результаты и выводы главы 1 . . . . 8 6 Глава 2. СТРУКТУРА СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ И МАГНИТНЫЙ КРУГОВОЙ ДИХРОИЗМ В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ II-VI
ПОЛУПРОВОДНИКОВ 8 9
2.1 Роль состояний, локализованных флуктуациями
состава, в формировании края собственного
поглощения твердых растворов 8 9
Континуальная модель 8 9
Дискретная модель 93
Сравнение с экспериментом 9 6
2.2 Экситонное поглощение твердых растворов CdSi-bSeb и
гпЗег-ьТеь 100
Экспериментальная методика 100
Спектральная зависимость 105
Концентрационная зависимость 115
2.3 Магнитный круговой дихроизм на краю собственного
поглощения твердых растворов 120
2.3.1 Особенности методики магнито-поляризационных
измерений 120
2.3.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение . 124
2.4 Основные результаты и выводы главы 2. . . . 133
Глава 3. МАГНИТО-ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ЭКСИТОННЫХ СОСТОЯНИЙ
В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ II-VI ПОЛУПРОВОДНИКОВ. . 136
3.1 Магнито-циркулярная поляризация люминесценции
флуктуационных экситонов . . 13 6
Спектральная зависимость 136
Полевая зависимость 150
Четырехуровневая спиновая диаграмма экситона . 157 3.2 Скрытая анизотропия системы флуктуационных
экситонов 176
3.2.1 Поляризованная люминесценция флуктуационных
экситонов 176
3.2.2 Определение положения порога подвижности . . 190
3.3 Влияние продольного магнитного поля на оптическую
ориентацию флуктуационных экситонов. . . . 196
Экспериментальные результаты 196
Теоретический расчет 201
Оценка физических параметров модели . . . . 2 07 3.4 Основные результаты и выводы главы 3. . . . 217 Глава 4. МАГНИТО-ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
ФЛУКТУАЦИОННЫХ ЭКСИТОННЫХ СОСТОЯНИЙ В
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ . . . . 221
4.1 Флуктуационные экситонные состояния и поляризация
люминесценции в двумерных полупроводниковых
гетероструктурах 221
Форма полосы фотолюминесценции 221
Поляризация фотолюминесценции 232
4.2 Резонансное комбинационное рассеяние света (РКРС) с
переворотом спина в системе флуктуационных
экситонов 248
Полевые и угловые зависимости сдвигов линий РКРС 24 8
Интенсивность и ширина линий РКРС 2 67
4.3 Спиновая структура и релаксация флуктуационных
экситонов 277
4.4 Основные результаты и выводы главы 4. . . . 289 Глава 5. КИНЕТИКА РЕКОМБИНАЦИИ ЧЕРЕЗ ФЛУКТУАЦИОННЫЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ 2 93
5.1 Фотолюминесценция флуктуационных экситонов в
твердых растворах полупроводников при импульсном
межзонном возбуждении 2 93
5.1.1 Дисперсия времен жизни флуктуационных экситонов 2 93
5.1.2 Рекомбинация экситонов и электрон-дырочных пар
через флуктуационные состояния 303
5.2 Кинетика спиновой релаксации флуктуационных
экситонов в гетероструктурах 317
5.2.1 Кинетика линейно поляризованной люминесценции. 317
5.2.2 Кинетика магнито-циркулярной поляризации
люминесценции . 322
5.3 Кинетика индуцированного просветления в спектрах
поглощения флуктуационных экситонов. . . . 333
5.4 Основные результаты и выводы главы 5. . . . 341
Глава б. МАГНИТО-ОПТИКА ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ФЛУКТУАЦИОННЫХ
СОСТОЯНИЙ В СИСТЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИК-ЭЛЕКТРОЛИТ . 34 4
6.1 Локализация носителей флуктуирующим
приповерхностным потенциалом 34 4
6.2 Магнито-циркулярная поляризация люминесценции
приповерхностных флуктуационных электронных
состояний . 35 6
б.З Основные результаты и выводы главы б. . . . 3 63
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 3 64
Основные результаты диссертационной работы. . 369 ПРИЛОЖЕНИЕ
Методика спектральных измерений поляризационных
характеристик излучения 372
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 37 6
ЛИТЕРАТУРА 383
Введение к работе
Влияние такой характеристики полупроводников, как неупорядоченность, на их свойства привлекает к себе внимание исследователей уже в течение длительного времени. Непрекращающийся интерес к этому направлению физики полупроводников обусловлен разнообразием и сложностью теоретических и экспериментальных проблем в данной области, а также перспективами, которые открываются в случае решения этих проблем, как в фундаментальных исследованиях полупроводников, так и в их применении в прикладных целях.
Вызванные неупорядоченностью эффекты часто удобно анализировать как результат флуктуации различных параметров полупроводника относительно величин этих параметров, характерных для идеально упорядоченной структуры. Во многих полупроводниковых системах - твердых растворах (ТР), гетероструктурах с пониженной размерностью и др. их неупорядоченность приводит к флуктуациям электронного потенциала.
Основой для написания данной диссертации стали опубликованные в [Д1-Д30] результаты спектроскопических исследований свойств электронных состояний, энергия которых определяется таким флуктуирующим потенциалом, а
также влияния этих состояний*' на процессы переноса электронного возбуждения в полупроводниковых системах.
Ниже будет показано, что возникновение флуктуационных состояний является свойством, характерным для неупорядоченных полупроводниковых систем. Поэтому, с одной стороны, влияние таких состояний на оптические и транспортные свойства в определенных условиях часто оказывается доминирующим, с другой - несмотря на разнообразие физической природы флуктуации, вызывающих появление флуктуационных состояний в различных полупроводниковых системах, эти состояния обладают рядом общих свойств.
Вследствие увеличения в последние годы интереса к спинтронике - применению в прикладных целях эффектов, определяемых спиновыми свойствами электронных состояний в полупроводниковых структурах, исследование спиновой структуры флуктуационных электронных состояний и роли
*' Локализованные в таких состояниях экситоны в работе Агекяна и др. [1] были названы флуктуационными (ФЭ), Этот термин, представляющийся весьма удачным, будет для краткости применяться ниже и к самим электронным состояниям, локализованным в результате флуктуации потенциала в неупорядоченных полупроводниковых системах.
процессов релаксации электронного возбуждения в
неупорядоченных полупроводниковых системах с участием таких состояний, являющееся целью данной диссертации, оказывается весьма актуальным.
Для решения этой задачи наиболее удачными представляются методы магнито-поляризационной спектроскопии, т.е. исследование зависимости влияния внешнего магнитного поля на поляризацию оптических спектров, поскольку с одной стороны эта поляризация зависит от спиновых свойств электронных состояний и процессов их релаксации, а с другой - на них можно повлиять, прикладывая внешнее магнитное поле.
Ниже предельно кратко изложены необходимые общие сведения о возникновении флуктуационных состояний в неупорядоченных полупроводниковых системах и магнито-поляризационных методах их исследования.
Актуальность изучения свойств ТР обусловлена широким применением их в полупроводниковой технике, в том числе при создании полупроводниковых структур, что, в свою очередь, определяется их важнейшим свойством - изменением ширины запрещенной зоны Ед и постоянной кристаллической решетки ар при варьировании состава ТР.
Из всего многообразия полупроводниковых ТР будут рассмотрены только изозлектронные, т.е. такие, в которых
атомы, замещающие друг друга в узлах кристаллической
решетки, имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек. В результате такого замещения кристаллическая решетка хотя и искажается, но ее существенной перестройки не происходит.
Свойства изоэлектронных ТР могут быть в первом приближении достаточно хорошо описаны в модели т.н. идеального «виртуального кристалла» (ВК) - твердого тела с идеальной решеткой, в псевдоузлах которой расположены псевдоатомы, одинаковые для эквивалентных узлов и изоэлектронные с атомами, образующими реальный ТР. Параметры решетки и псевдоатомов ВК получают интерполяцией параметров решетки и атомов соединений, образующих ТР. Таким образом, химический состав ВК постоянен по объему и определяется соотношением долей этих соединений в реальном ТР. Модель ВК позволяет в некотором приближении описать зависимости Ед и <зр от состава ТР.
Другое общее свойство ТР - их неупорядоченность проявляется в локальных пространственных флуктуациях химического состава реальных ТР и расположения узлов решетки в них относительно положения узлов решетки в ВК. Первую разновидность таких флуктуации называют композиционным, а вторую - позиционным беспорядком. Из
общих соображений, очевидно, что такое деление носит
весьма схематический характер, и в неупорядоченность реальных ТР вносят вклад оба типа беспорядка, хотя один из них при этом может доминировать. В тех случаях, когда варьирование состава ТР приводит также и к изменениям симметрии его кристаллической решетки, неупорядоченность ТР может проявляться в появлении дефектов упаковки, влияние которых на оптические спектры ТР подробно исследовано в работах Федорова, Новикова и др. (см., например, [2; 3]) .
К моменту начала исследований, обсуждаемых в диссертации, уже было известно, что приближение ВК оказывается недостаточным для описания свойств объемного полупроводникового ТР с изоэлектронным замещением CdSi_ bSeb, поскольку существенное влияние на эти свойства оказывает неупорядоченность ТР, а именно пространственные флуктуации его состава [4-7]. Вследствие зависимости энергетического положения электронных зон ТР от его состава такие флуктуации приводят к ряду явлений, характерных именно для ТР: возникновению в нем хаотического потенциального рельефа, размытию краев зон проводимости и валентной и, как следствие, к образованию в запрещенной зоне «хвостов» плотности состояний. Чем больше величина флуктуации, тем меньше вероятность ее
возникновения, поэтому плотность состояний будет спадать вглубь запрещенной зоны. При этом состояния с достаточно малой плотностью окажутся локализованными.
Хорошо известно, что процессы переноса энергии в полупроводниках осуществляются преимущественно с участием экситонов (см., например, монографию [8]). При локализации в таких состояниях хотя бы одного из образующих зкситон носителей происходит и локализация экситона, что при определенных условиях может привести к изменению характера переноса энергии в ТР. Этим эффектом было объяснено обнаруженное в низкотемпературных спектрах фотолюминесценции (ФЛ) CdSi_bSeb преобладание интенсивной неоднородно уширенной полосы излучения ФЭ [8, доп. к гл.9; 9]. Дальнейшие исследования низкотемпературных спектров ТР II-VI полупроводников показали, что изменение характера переноса энергии в ТР в результате возникновения ФЭ является достаточно общим свойством ТР, в которых замещение происходит в анионной подрешетке [Д7; Д8].
Достигнутые в последнее время успехи в технологии эпитаксиального роста привели к созданию широко применяемых в прикладных целях разнообразных полупроводниковых гетероструктур с пониженной размерностью, в том числе структур с квантовыми ямами
(КЯ) , на исследовании которых сосредоточены сейчас
основные усилия в современной физике полупроводников. Вследствие квантового ограничения движения носителей в таких структурах роль экситонных эффектов в них оказывается даже еще большей, чем в объемных полупроводниках. Довольно часто характер переноса энергии в полупроводниковых гетероструктурах также существеннейшим образом определяется локализацией во флуктуационных состояниях. К возникновению таких состояний в гетероструктурах приводят как присущие только им флуктуации размеров КЯ, так и флуктуации состава ТР, почти всегда применяемых при выращивании гетероструктур для получения нужных значений Ед и ар. В результате понижения размерности в квантово-ограниченных структурах влияние флуктуационных состояний на процессы переноса в них может весьма усиливаться по сравнению с объемными ТР полупроводников [Д23].
Наибольшее внимание к настоящему времени сосредоточено на исследованиях структур на базе III-V полупроводников в силу более развитой технологии их создания. Однако по-прежнему актуальной задачей остается совершенствование технологии выращивания более широкозонных полупроводников и структур на их основе для изготовления оптоэлектронных приборов, работающих в более
коротковолновой части оптического диапазона. Достижение этой цели связывается с развитием исследований структур на базе широкозонных II-VI полупроводников и, в самое последнее время, также и нитридов металлов III группы. Усилия, сосредоточенные на создании структур на базе нитридов, все еще наталкиваются на ряд проблем, решению которых может способствовать их анализ методами, разработанными при исследовании структур на базе II-VI полупроводников, таких как халькогениды кадмия и цинка.
Магнито-поляризационные методы исследования успешно применяются в физике твердого тела достаточно давно (см., например, обзор [10]). Эти методы широко используются и при изучении II-VI полупроводников и систем на их основе, однако до недавнего времени основное внимание уделялось исследованию так называемых полумагнитных полупроводников. Их катионная подрешетка содержит ионы переходных металлов (чаще всего Мп2+) с некомпенсированными спинами, поэтому в результате обменного взаимодействия носителей с такими ионами магнитооптические эффекты в этих полупроводниках усиливаются на порядки по сравнению с наблюдаемыми для обычных полупроводников (см., например, [11]).
Кроме того, при исследовании неупорядоченных полупроводниковых систем, важнейшей особенностью которых
является неоднородное уширение их спектров, неприменимы
магнитооптические методы в их традиционном виде, связанные с точным измерением сдвигов и расщеплений достаточно узких спектральных линий. Тем не менее, как будет показано, методы магнито-поляризационной спектроскопии могут быть с успехом применены и в случае немагнитных полупроводниковых неупорядоченных систем, даже когда неоднородное уширение спектров существенно превышает расщепление спиновых подуровней.
В настоящей диссертации приведены результаты исследования свойств флуктуационных электронных состояний, прежде всего экситонных, в таких системах на базе немагнитных широкозонных II-VI полупроводников халькогенидов кадмия и цинка, как объемные ТР, гетероструктуры и приповерхностный слой полупроводника, обработанного электролитом. В низкотемпературных спектрах ФЛ всех этих систем преобладает интенсивная неоднородно уширенная полоса рекомбинации флуктуационных электронных состояний.
После обзора в главе 1 общих свойств ФЭ, проявляющихся в спектрах низкотемпературной ФЛ объемных ТР II-VI полупроводников, в следующих главах будут изложены результаты более детального анализа свойств флуктуационных электронных состояний методами магнито-
поляризационной спектроскопии, когда данные о спиновой
структуре и процессах релаксации таких состояний, включая динамику переходов между их спиновыми подуровнями, удавалось получить даже в условиях превышающего расщепление спиновых подуровней неоднородного уширения спектров. В главе 2 рассмотрены результаты исследования структуры спектров поглощения и магнитного кругового дихроизма, в главах 3 и 4 - влияния внешнего магнитного поля на поляризацию ФЛ в ТР и вторичного излучения гетероструктур, соответственно. Глава 5 посвящена спектроскопическим исследованиям с временным разрешением, глава б - исследованию приповерхностных флуктуационных состояний в системе полупроводник-электролит.
Результаты, полученные при систематическом исследовании с применением различных магнито-поляризационных экспериментальных методик, позволили не только проанализировать энергетическую структуру и спиновые свойства флуктуационных электронных состояний и процессы релаксации в них, но и сделать выводы о границах возможностей таких методик, а также о степени применимости при таком анализе существующих теоретических моделей.
Большинство экспериментальных результатов, обсуждаемых в диссертации, были получены при гелиевых
температурах (Т = 1.6 - 5 К). В тех случаях, когда использовались более высокие температуры, это будет специально отмечаться в тексте. Существенные особенности проведенных экспериментов, а также имевшиеся данные о структуре экситонных зон и правилах отбора для экситонных переходов в II-VI полупроводниках [8; 12] будут приведены в соответствующих параграфах. Здесь же отметим только, что все исследованные бинарные полупроводники, ТР и полупроводниковые структуры были прямозонными. В Приложение вынесено обсуждение наиболее важных деталей спектральных измерений, которые могут представить интерес при исследовании поляризационных характеристик излучения любых объектов.
