Введение к работе
Актуальность темы. Физика полупроводниковых гетероструктур в настоящее время является одним из наиболее динамично развивающихся направлений физики твердого тела [1,2]. Достижения в этой области стали возможными благодаря успехам технологии, прежде всего методов молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и литографии высокого разрешения. Эти методы позволяют создавать совершенные монокристаллические полупроводниковые слои и многослойные гетероструктуры с толщиной слоев 1–10 нм, сравнимой с длиной волны де Бройля носителей заряда, что открывает принципиальную возможность наблюдения и использования явлений, обусловленных волновой природой электрона. К ним, в частности, относится интерференция электронных волн и вызванные ею так называемые размерные квантовые эффекты, такие, например, как квантование энергии электронов в тонких слоях, резонансный характер прохождения электронов через эти слои и т.д. На основе гетероструктур с квантово-размерными слоями (наноструктур) создан широкий круг приборов опто- и наноэлектроники, среди них полупроводниковые лазерные диоды с квантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками (КТ) в качестве активной области; транзисторы с высокой подвижностью электронов двумерного электронного газа, локализованного вблизи гетерограницы; резонансно-туннельные диоды; фотоприемники и светоизлучающие приборы на основе межзонных и межподзонных переходов в квантово-размерных слоях. К наивысшим технологическим достижениям в области квантовых приборов следует, несомненно, отнести создание квантового каскадного лазера группой исследователей из Bell Laboratories (США) под руководством Ф. Капассо [3]. В основу этого прибора легли идеи о возможности оптического усиления при переходах между квантованными электронными состояниями в структуре с множественными КЯ в сильном электрическом поле, высказанные в 1971 году российскими учеными Р.Ф. Казариновым и Р.А. Сурисом [4]. Параметры этих приборов в значительной степени определяются энергетическим спектром и волновыми функциями (ВФ) уровней размерного квантования, распределением электронной плотности по толщине структуры (т.е., локализацией электронной ВФ), а также темпами эмиссии и захвата носителей заряда на уровни размерного квантования.
Диссертационная работа, посвященная исследованию возможностей управления локализацией электронной волновой функции в полупроводниковых гетероструктурах, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Целью работы является исследование возможностей управления локализацией электронной волновой функции в полупроводниковых гетероструктурах, разработка методов диагностики локализации волновой функции, исследование физических эффектов, связанных с локализацией электронной волновой функции в квантово-размерных структурах с различными видами несовершенств, разработка принципов создания приборов, основанных на управлении локализацией электронной волновой функции.
Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами на основе системы GaAs/AlGaAs, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Основными методами исследования в данной работе являлись методы спектроскопии вторичного излучения – комбинационного рассеяния (КР) света и фотолюминесценции (ФЛ), – дающие информацию об электронной и фононной подсистемах исследуемых материалов и обладающие высоким пространственным разрешением, определяемым диаметром сфокусированного лазерной пучка на поверхности образца.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
С помощью спектроскопии резонансного КР подтверждена теоретически предсказанная возможность локализации электронных состояний в барьерах сверхрешеток GaAs/AlGaAs, проявляющаяся в спектрах как резонансное селективное усиление GaAs- и AlAs-подобных LO мод барьеров AlGaAs, формирование их обертонов и составных частот. Обнаружен эффект передислокации электронных возбуждений из барьеров в квантовые ямы при сужении барьеров. В этом случае селективно усиливается LO мода КЯ GaAs, проявляются ее обертоны, а при сопоставимых относительных вероятностях нахождения электрона в КЯ и барьере формируются составные LO моды этих пространственно разделенных компонентов сверхрешетки.
-
Обнаружен зависящий от температуры сдвиг резонансной частоты фотолюминесценции квантовой области структур одиночных квантовых ям GaAs/AlGaAs, вызванный макроскопическими флуктуациями ширины квантовых ям на целое число монослоев при выращивании методом МЛЭ с прерываниями роста на границах раздела. Этот сдвиг объясняется локализацией носителей заряда в более широких за счет флуктуаций областях квантовой ямы при низких температурах и более равномерным распределением носителей при повышении температуры. В результате температурная зависимость положения пика фотолюминесценции для узких (~ 3 нм) квантовых ям не повторяет температурный ход ширины запрещенной зоны объемного материала (со сдвигом вследствие эффекта размерного квантования). Для широких квантовых ям температурный сдвиг резонансной частоты менее выражен из-за более слабого проявления эффекта размерного квантования. Для объяснения наблюдаемого температурного сдвига резонансной частоты фотолюминесценции развита общая теория межзонной спонтанной рекомбинации двумерных носителей заряда в структурах КЯ с макроскопическими шероховатостями границ раздела.
-
Предложен приближенный метод расчета электронного спектра квантовых точек, возникающих вследствие пересечения круговых (в силу условий роста) флуктуаций ширин квантовых ям/барьеров на соседних границах раздела сверхрешеток. Метод основан на сведении трехмерной задачи к одномерной (метод декомпозиции). Метод успешно применен для анализа данных фотолюминесценции сверхрешеток.
-
Экспериментально обнаружен эффект резкого изменения энергии ионизации примеси при передислокации электронной волновой функции в системе квантовых ям во внешнем электрическом поле, вызывающем инверсию двух нижних электронных подзон размерного квантования в соседних квантовых ямах, более широкая из которых селективно легирована донорной примесью.
-
В структурах одиночных квантовых ям GaAs/AlxGa1-xAs с асимметричными по высоте барьерами обнаружена 2D-3D трансформация размерности экситонных состояний с ростом внешнего электрического поля.
-
Предложена оригинальная конструкция активного элемента униполярного полупроводникового лазера, в которой эффект 2D-3D трансформации размерности электронных состояний использован для эффективного подавления однофононной безызлучательной релаксации между лазерными подзонами, что обеспечивает более легкую реализацию инверсной населенности..
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Продемонстрированы возможности спектроскопии резонансного КР для тестирования локализации электронной волновой функции в квантово-размерных структурах.
-
Предложен способ получения из анализа экспериментальной формы линии ФЛ функции распределения макроскопических флуктуаций ширины одиночной квантовой ямы на целое число монослоев, возникающих при выращивании структуры методом МЛЭ с прерываниями роста на гетерограницах.
-
Обнаруженный экспериментально эффект интерференционной ионизации примеси может иметь важное практическое значение, так как позволяет повысить на несколько порядков величину модуляции латеральной проводимости канала полевого транзистора в виде системы КЯ, благодаря изменению внешним электрическим полем как подвижности, так и концентрации электронов.
-
Создан многопериодный активный элемент униполярного полупроводникового лазера оригинальной конструкции. В его основе лежит физическая идея о подавлении межподзонной безызлучательной релаксации за счет использования зависимости ВФ в структурах КЯ с сильно асимметричными по высоте барьерами от квазиимпульса. Экспериментально подтверждена работоспособность предложенной конструкции.
В результате проведенных исследований развито новое научное направление в физике полупроводников – создание активного элемента полупроводникового униполярного лазера на основе гетероструктур с переменной размерностью электронных состояний.
Научные положения, выносимые на защиту
ПОЛОЖЕНИЕ 1. Метод спектроскопии резонансного КР эффективен для тестирования локализации электронной волновой функции в сверхрешетках, где за счет сужения барьеров (квантовых ям) возможна передислокация электронной волновой функции из барьеров в квантовые ямы и обратно.
ПОЛОЖЕНИЕ 2. Температурный сдвиг резонансной частоты межзонного перехода в спектрах фотолюминесценции узких квантовых ям определяется не только температурным ходом ширины запрещенной зоны объемного материала и эффектом размерного квантования, но и локализацией носителей заряда при низких температурах на макроскопических (возникших при выращивании методом МЛЭ с прерываниями роста на гетерограницах) флуктуациях ширины квантовой ямы. На температурной зависимости положения пика фотолюминесценции для узкой квантовой ямы наблюдается излом, который соответствует точке, где тепловая энергия носителей заряда при понижении температуры становится меньше средней величины дисперсии энергий основного состояния, обусловленной флуктуациями ширины КЯ. Из анализа экспериментальной формы линии фотолюминесценции можно получить функцию распределения макроскопических флуктуаций на гетерограницах.
ПОЛОЖЕНИЕ 3. Перекрытие круговых (в силу условий роста) флуктуаций толщин соседних квантовых ям в сверхрешетках может привести к формированию естественных квантовых точек с эквидистантными энергетическими состояниями, объясняемыми близкой к квадратичной зависимостью поперечника областей перекрытия от координаты в плоскости слоев. Энергетический спектр таких квантовых точек при малых перекрытиях флуктуаций соседних квантовых ям может быть рассчитан с помощью процедуры сведения трехмерной задачи к одномерной. Подобная процедура может быть использована и для решения обратной задачи нахождения профиля квантовой точки (проволоки), обладающей эквидистантным спектром.
ПОЛОЖЕНИЕ 4. Передислокация электронной волновой функции в системе легированных квантовых ям при инверсии двух нижних электронных подзон из-за их антикроссинга во внешнем электрическом поле сопровождается резким уменьшением энергии ионизации примеси, локализованной в более широкой квантовой яме. Благодаря этому эффекту, в диапазоне напряженностей поля 2540 КВ/см энергия ионизации донорной примеси Si в двухъямной структуре уменьшается от 15,5 мэВ до нуля.
ПОЛОЖЕНИЕ 5. В спектрах фотолюминесценции структур одиночных квантовых ям GaAs/AlxGa1-xAs с асимметричными по высоте барьерами наблюдается 2D-3D трансформация размерности экситонных состояний с ростом внешнего электрического поля. По мере смещения максимума электронной волновой функции в низкий барьер с ростом поля, энергия связи экситона сначала уменьшается, а затем происходит трансформация 2D экситона в квази-3D экситон, в состав которого входят тяжелая дырка в квантовой яме и электрон резонансного надбарьерного состояния. Развит приближенный метод расчета электронного спектра структур с переменной размерностью электронных состояний, учитывающий вклад непрерывного спектра, в том числе и во внешнем электрическом поле.
ПОЛОЖЕНИЕ 6. Многопериодная трехъямная структура, включающая квантовую яму с асимметричными по высоте барьерами, перспективна для эффективного активного элемента униполярного лазера. В случае, если связанная с этой КЯ подзона служит нижним лазерным состоянием, то за счет существования этого состояния только в ограниченной области волновых векторов в плоскости слоев обеспечено эффективное подавление безызлучательного перехода в нее с верхней лазерной подзоны, в результате чего время жизни электронов в верхнем лазерном состоянии возрастает в несколько раз по сравнению с существующими униполярными лазерами на основе квантовых ям с симметричными по высоте барьерами. Экспериментально доказано, что время безызлучательной релаксации между лазерными подзонами в созданном нами многопериодном активном элементе униполярного лазера достигает 9 пс и превышает время безызлучательной релаксации с нижней лазерной подзоны, что обеспечивает инверсную населенность в такой системе.
ПОЛОЖЕНИЕ 7. Продемонстрирована возможность управления внешним электрическим полем размерностью нижней лазерной подзоны в активном элементе униполярного лазера на основе квантовых ям с асимметричными по высоте барьерами. Это позволяет реализовать на основе таких структур активный элемент квантового униполярного лазера с рекордными характеристиками.
Приоритет результатов. Все полученные автором научные результаты, вынесенные на защиту, получены впервые.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:
- Международных симпозиумах «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 1996, 1998, 1999, 2000, 2003; 2005),
- Российских конференциях по физике полупроводников (Москва, 1997; Новосибирск, 1999; Санкт Петербург, 2003; Звенигород, 2005; Нижний Новгород, 2011),
- Всероссийском совещании «Нанофотоника» (Нижний Новгород, 1999),
- International Conference “Advanced Laser Technologies” “ALT’99” (Italy, 1999),
- I-III Симпозиумах по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (Москва, Звенигород, 2007, 2009, 2011),
- Симпозиумах «Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (Санкт-Петербург, 2008, 2010).
Результаты работы, как в целом, так и отдельные ее части докладывались на семинарах Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Университета имени Фридриха – Александра (Эрланген, Германия).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ в научных журналах и трудах российских и международных конференций, основные из которых приведены в конце автореферата.
