Введение к работе
Актуальность работы
Изучение физических процессов, протекающих в сильнокоррелированных системах пониженной размерности, является одной из ключевых проблем, успешное решение которой определяет прогресс современных нанотехнологий в области полупроводниковой оптоэлектроники и лазерной физики. В частности, исследование коллективных эффектов в неравновесной электронно-дырочной системе объемных полупроводников и полупроводниковых наноструктур необходимо для получения качественных и количественных данных используемых при разработке оптоэлектронных устройств. Не решенной фундаментальной задачей, связанной с этими исследованиями, является описание сильнокоррелированных систем взаимодействующих фермионов в условиях пониженной размерности.
Коллективные взаимодействия неравновесных носителей заряда и экситонов в полупроводниковых кристаллах широко и подробно исследовались начиная с 70-х годов. За последние годы этой проблеме посвящено огромное количество теоретических и экспериментальных работ, где с учетом индивидуальных характеристик объемных полупроводниковых кристаллов изучены различные многочастичные состояния в неравновесной электронно-дырочной системе и связанные с ними фазовые переходы. В частности, для целого ряда кристаллов экспериментально обнаружено образование электронно-дырочной жидкости (ЭДЖ)[Электронно-дырочные капли в полупроводниках, 1988] металлического типа, а также вырожденной электронно-дырочной плазмы (ЭДП) и подробно исследованы условия их возникновения и свойства. Тем не менее, даже в случае объемных кристаллов остается нерешенным широкий круг вопросов, касающихся, например, природы низкочастотного размытия спектров излучения ЭДЖ и ЭДП в полупроводниках, как с прямой [Hildebrand et al., 1978], так и непрямой щелью [Landsberg, 1967], возможности образования второй конденсированной фазы и ее свойств [Smith, Wolfe, 1995], исследований конкурирующих многочастичных эффектов, осложняющих экспериментальное наблюдения ЭДЖ в некоторых бинарных соединениях [Багаев В. С. и др., 2005] и т.д.
В ранних теоретических работах было показано, что у ряда модельных квазиодномерных и квазидвумерных систем, общей чертой которых является сильная анизотропия электронного спектра, возможна дополнительная стабилизация конденсированного состояния, по сравнению с трехмерным случаем. Кроме того, ввиду изменения характера экранировки кулоновского взаимодействия в таких системах и усиления вклада в коллапс экситонов фактора заполнения электронных и дырочных состояний [Peyghambarian et al., 1984, Hulin et al., 1986, H., Reinholz, 2002, Leon Ben-Tabou de, Laikhtman, 2003, Cingolani et al., 1996, Lozovik, Berman, 1997], исследования фазовых переходов в системах с пониженной размерностью представляют особый интерес.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании фазовых переходов в электронно-дырочной системе с пониженной размерностью, определении условий образования и основных свойств коллективных состояний.
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
Был произведен выбор оптимальных для изучения коллективных состояний параметров структур Sii-^Ge^/Si;
Исследованы экситонные состояния в квантовых ямах и слоях кремния и условия перехода «экситонный газ — плазма» в квазидвумерной системе;
Проведено исследование коллективных состояний методами стационарной и разрешенной по времени низкотемпературной фотолюминесценции, а также 2Ед люминесценции при различных температурах и плотностях мощности лазерного возбуждения;
На основе модели квазидвумерной плазмы, разработана методика для описания формы линии излучения электронно-дырочной жидкости в ИК и 2Ед спектрах с учетом однородного уширения.
Научная новизна
Обнаружена двумерная электронно-дырочная жидкость в квантовых ямах SiGe/Si с низким (< 7%) содержанием германия;
Исследовано влияние барьера для электронов на свойства фазового перехода «экситонный газ — ЭДЖ»;
3. В спектрах 2Ед люминесценции обнаружен новый канал рекомбинации, предположительно, связанный с излучением заряженных многоэкситонных комплексов.
Практическая значимость Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для конструирования и разработки оптоэлектронных устройств, совместимых с кремниевой технологией
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
Обнаружено образование электронно-дырочной жидкости в квантовых ямах Sii-ajGe^/Si шириной 5нм и определена критическая для конденсированной фазы концентрация германия х = 7%.
Основные характеристики ЭДЖ в квантовой яме с содержанием германия 5 % имеют следующие значения: равновесная концентрация носителей п ~ 1012 см~2, критическая температура Тс = 25 К, работа выхода из ЭДЖ <р = 0,8 мэВ, время жизни носителей т = 400 не.
Работа выхода из ЭДЖ на пару частиц монотонно увеличивается при понижении содержания германия в слое твердого раствора и достигает бмэВ при х = 2,9%.
Расчет формы линии ЭДЖ в 2Ед спектрах, основанный на модели квазидвумерной плазмы с учетом однородного уширения, находится в хорошем согласии с экспериментальными данными.
Обнаруженный в 2Ед спектрах новый канал рекомбинации наблюдается в температурном диапазоне 5-32 К и сохраняет спектральное положение своей линии излучения неизменным.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
29th International Conference on the Physics of Semiconductors, Rio de Janeiro (Brazil), 27 July-1 August 2008.
XII школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», Звенигород, 23-27 ноября, 2008.
51-я научная конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва—Долгопрудный, ноябрь 2008.
XIII международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектрони-ка», Нижний Новгород, 16-20 марта, 2009.
IX Российская конференция по физике полупроводников, Новосибирск- Томск, 2009.
52-я научная конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва—Долгопрудный, ноябрь 2009.
XIV международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектрони-ка», Нижний Новгород, 15-19 марта, 2010.
53-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва—Долгопрудный, 2010.
XIII школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», Звенигород, 14-19 ноября, 2010.
10. XV международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектрони-ка», Нижний Новгород, 14-18 марта, 2011.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах, 4 статьи в сборниках трудов конференций и 7 тезисов докладов.
Список публикаций:
В. С. Багаев, В. В. Зайцев, В. С. Кривобок и др. Каналы излуча-тельной рекомбинации и фазовые переходы в системе неравновесных носителей в тонкой квантовой яме Sio,93Geo,o7/Si // ЖЭТФ. 2008. - 11. Т. 134, No 5. С. 988-994.
С. Н. Николаев, В. С. Кривобок, А. Ю. Клоков, В. С. Багаев. Система для регистрации слабых световых сигналов с наносекунд-ным временным разрешением // ПТЭ. 2009. Т. 52. С. 121-124.
3. Bagaev V. S., Krivobok V. S., Nikolaev S. N. et al. Observation of
the electronhole liquid in Sii^Ge^ /Si quantum wells by steady-state
and time-resolved photoluminescence measurements // Phys. Rev. B.
2010. - Sep. Vol. 82, no. 11. P. 115313.
4. В. С. Багаев, В. С. Кривобок, С. Н. Николаев и др. Влияние ба
рьера для электронов на конденсацию экситонов и спектр многоча
стичных состояний в квантовых ямах SiGe/Si // Письма в ЖЭТФ.
2011. -7. Т. 94. С. 63.
Личный вклад автора Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения, библиографии и приложения. Общий объем диссертации 120 страниц, из них 102 страницы текста, включая 34 рисунка и 6 таблиц. Библиография включает 89 наименований на 14 страницах.
