Введение к работе
Актуальность темы: Последние четверть века физика низкоразмерных полупроводниковых структур является наиболее бурно развивающейся областью физики твердого тела. Это развитие было обусловлено как потребностью микроэлектроники в миниатюризации и повышении быстродействия электронных приборов, так и уникальными возможностями новой технологии - молекулярно-пучковой эпитаксии, позволяющей выращивать полупроводниковые наноструктуры с заранее заданными свойствами. Особенно интерес к низкоразмерным структурам возрос после того, как Есаки (Нобелевская премия по физике 1973 г.) и Цу в 1970 году предложили использовать искусственно созданные периодические полупроводниковые структуры с квантовыми ямами для создания новых приборов на основе блоховских осцилляции, а новая технология позволила реализовать эту идею.
Последние почти десять лет развитие физики наноструктур шло по пути создания систем с размерностью меньше, чем 2D, а именно ID (квантовые проволоки),и затем 0D (квантовые точки). Необходимость исследования систем с пониженной размерностью обусловлена как прак-тическим^ак и теоретическим интересом. С практической точки зрения изучение таких систем позволяет уменьшить размеры, повысить степень интеграции и увеличить быстродействие полупроводниковых элементов микроэлектроники. Понижение размерности полупроводниковых структур позволило создать лазерные системы с пониженным порогом нн-жекционных токов и возможностью изменения длины волны генерации за счет эффектов размерного квантования носителей заряда. С точки зрения фундаментальной науки, изучение низкоразмерных структур позволяет понять основные закономерности взаимодействия квазичастиц в условиях, когда их спектр существенно модифицируется эффектами размерного квантования. Эффекты размерного квантования приводят как к изменению энергии, симметрии и перенормировке фундаментальных характеристик квазичастиц (масса, ^-фактора), так и к изменению динамики носителей заряда как в отсутствие внешних полей, так и во внешних электрических и магнитных полях. Многие из этих явлений можно успешно изучать оптическими методами. В частности, свойства горячих носителей, которые создаются в приборах с помощью сильных
электрических полей и инжекцин. могут изучаться при их генерации с помощью оптического возбуждения. Большие возможности для изучения кинетики горячих носителей открываются при использовании метода поляризованной магнитооптической спектроскопии горячей фотолюминесценции (ГФЛ) в низкоразмерных системах. С другой стороны, применение методов рамановской спектроскопии для исследования низкоразмерных структур, находящихся под воздействием внешних полей (магнитных, электрических), позволяет измерить их фундаментальные характеристики (масса, g-фактора), а также исследовать те процессы, которые не наблюдаются при использовании других методов. Все вышесказанное определяет актуальность выбранной для исследования темы.
Цель работы состояла во всестороннем экспериментальном исследовании фундаментальных характеристик полупроводниковых структур с квантовыми ямами (СКЯ) и сверхрешёток (СР). Это исследование включало изучение: спектральных и поляризационных характеристик ГФЛ в СКЯ и СР и их изменение при переходе от объемного объекта к изолированным квантовым ямам (КЯ). а затем к квазитрехмерному полупроводнику; динамику горячих электронов в этих объектах во внешних магнитных полях; электрон-фононное взаимодействие и его зависимость от параметров СКЯ ц СР: спектра акустических фононов СКЯ и влияние на него несовершенства СКЯ; определение дисперсии зоны проводимости в СКЯ, эффектов резонансного туннелирования экситонов в СКЯ во внешнем электрическом поле; рамановское рассеяние света с переворотом спина и определение g-факторов дырок, электронов и экситонов в КЯ.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования были выбраны полупроводниковые структуры с квантовыми ямами на основе GaAs/AlxGai-xAs, в которх х изменялся от 1 до 0.1, ширина КЯ от 30 А до 200 А, а ширина барьеров от 6 А до 100 А. Это позволило получить как структуры с изолированными КЯ, так и сверхрешетки с хорошо выраженными электронной и дырочной минизонамн. Исследования ГФЛ были выполнены на СКЯ. в которых центральная часть КЯ была легирована акцепторной примесью Be. Для изучения эффектов туннелирования использовалась СР в конфигурации ріп-диода.
В работе использовались следующие основные методы исследования:
резонансная магнито- и электро-рамановская спектроскопия:
поляризационная магнитооптическая спектроскопия ГФЛ.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней выполнен комплекс исследований поляризационной магнитооптической спектроскопии горячих носителей заряда и резонансной магнито- и электрорама-новской спектроскопии структур с квантовыми ямами, позволивших получить большой объём новых результатов, имеющих принципиальное значение. Сформулируем наиболее существенные результаты.
Впервые исследованы особенности оптического выстраивания импульсов и ориентации спинов горячих электронов в квантовых ямах и сверхрешетках. Изучено влияние формирования электронной и дырочной минизон на особенности импульсного выстраивания и спиновой ориентации горячих электронов.
Впервые методом спектроскопии ГФЛ исследовано электрон-фононное взаимодействие в СКЯ и сверхрешетках и его зависимость от параметров КЯ (ширина ям) и СР (ширина барьеров).
Впервые обнаружен специфический для структур с квантовыми ямами механизм рамановского рассеяния света на акустических фононах, обусловленный нарушением закона сохранения по импульсу в процессе рассеяния света.
Впервые экспериментально наблюдалось резонансное туннелирова-ние локализованных экситонов при взаимодействии со штарковскими состояниями, возникшими из экситонного континуума.
Впрвые обнаружено и изучено рассеяние света с переворотом спина в структурах с квантовыми ямами. Выявлен новый, специфический для квантовых ям, механизм рассеяния света с переворотом спина дырки на акцепторе, обусловленный анизотропным обменным взаимодействием дырки на акцепторе с локализованным экситоном.
В КЯ обнаружено рассеяние света с переворотом момента локализованного экситона.
Научная и практическая ценность работы состоит в получении рб-ширной новой научной информации о фундаментальных характеристиках структур (j-факторе носителей заряда и дисперсии зоны проводимости) с квантовыми ямами, электрон-фононном взаимодействии в двумерных и квазидвумерных системах, а также об особенностях формирования кавзитрехмерного полупроводника из структуры с квантовыми ямами. Полученные результаты отражают общие закономерности, при-
сущнс СКЯ, и поэтому имеют большое значение для фундаментальной науки. Прежде всего это относится к специфическому для СКЯ механизму рассеяния электронов на интерфейсных фононах их взаимодействию с акустическими фононами, зависимости от размерности системы (/-фактора носителей заряда и их массы. Знание этих параметров имеет также большое практическое значение, поскольку они определяют быстродействие современных приборов микроэлектроники и эффективность приборов оптоэлектроники.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на 10-ой (Минск, 1985), 11-ой (Кишинев 1988) и 12-ой (Киев, 1990) Всесоюзных конференциях по физике полупроводников; на 20-м Всесо-юзн. съезде по спектроскопии (Киев, 1988); на 19-ой Международной конференции по физике полупроводников (Варшава, Польша 1988); на 20 Международной конференции по физике полупроводников (приглашенный доклад, Салоники, Греция, 1990); на Международном совещании "Фононы в полупроводниковых наноструктурах" (Дордрехт, 1993); на Международном симпозиуме "Наноструктуры: Физика и Технология" (С.Петербург, 1993); на 1ой Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993); наГерманской конференции "Достижения в физике твердого тела" (Брауншвейг, 1994); на Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (1994); на 14 Международной конференции отделения физики твердого тела Европейского физического общества (1994); на 22-ой Международной конференции по физике полупроводников (Ванкувер, Канада 1994); на 9-ой Международной конференции "Горячие носители в полупроводниках" (Чикаго, США, 1996); на 23-ой Международной конференции по физике полупроводников (Берлин, Германия 1996); на Международном симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология" (приглашенный доклад, С.Петербург, 1995); "Наноструктуры: физика и технология" (приглашенный доклад, С.Петербург, 1996); на 10-ой Международной конференции "Динамика неравновесных носителей в полупроводниках" (приглашенный доклад, Берлин, Германия 1997); на Международной конференции "оптика экситонов в конденсированной среде" (приглашенный доклад, С.Петербург, 1997); на 3-ей Российской конференции по физике полупроводников (Москва 1997). Цикл работ И.А. Меркулова, Д.Н. Мирлина, М.Е. Портного. И.И. Решпной, В.Ф. Сапоги, А.А. Сирепко
"Фотолюминесценция горячих электронов и электронно-дырочных па]) в структурах с квантовыми ямами" с его участием был удостоен премии Ученого Совета ФТИ им. А.Ф. Иоффе за 1991 год.
Публикации. По результатам исследований," изложенных в диссертации, опубликовано 49 научных работ в ведущих отечественных и международных журналах, а также в трудах конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, вкючающих 8 разделов, заключения, приложения и списка литературы из 235 наименований, включая работы автора. Объем диссертации составляет 263 страницы, вкючая 80 рисунков и 4 таблицы.