Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 12
1.1 Н"-подобные центры в Si и Ge 13
1.2 Особенности Н~-подобных центров в полярных полупроводниках 19
1.3 Н"-подобные центры в двумерных структурах 24
1.4 Влияние магнитного поля на Н"-подобные центры .... 29
2 Проявление А+ центров в фотолюминесценции двумерных структур GaAs/AlGaAs 35
2.1 Показания к применению фотолюминесцентного метода. . 35
2.2 Эксперимент 37
2.3 Обсуждение результатов 41
3 Энергия связи А+ центра в квантовых ямах GaAs/AlGaAs 46
3.1 Применение фотолюминесцентного метода для измерения энергии связи А"1" центров 46
3.2 Эксперимент 48
3.3 Обсуждение результатов 55
4 Тонкая структура А+ центров в квантовой яме 60
4.1 Измерение степени циркулярной поляризации фотолюминесценции, как метод изучения энергетической структуры А+ центра 60
4.2 Эксперимент 61
4.3 Обсуждение результатов 64
5 Заключение 72
Литература 73
- Н"-подобные центры в Si и Ge
- Показания к применению фотолюминесцентного метода.
- Применение фотолюминесцентного метода для измерения энергии связи А"1" центров
- Измерение степени циркулярной поляризации фотолюминесценции, как метод изучения энергетической структуры А+ центра
Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы. А+ центром в полупроводниках называется комплекс образованный нейтральным акцептором и захваченной им дополнительной дыркой. На данный момент существуют две физические модели объясняющие механизм такого захвата. Первая из них основывается на аналогии с отрицательно заряженным ионом водорода Н~. Атом водорода в такой модели рассматривается как диполь, который притягивает дополнительный электрон электростатическим потенциалом диполя ~ г"2. Второй подход заключается в использовании модели потенциала нулевого радиуса. Как известно, в периодическом потенциале атомов кристаллической решётки носитель заряда находящийся в разрешённой зоне может двигаться свободно. Нейтральный атом примеси нарушает периодичность потенциала, что приводит к образованию узкой потенциальной ямы, обычно описываемой S(f— fo)-функцией.
Впервые на возможность существования в твёрдом теле центров, подобных иону водорода Н~, D~ центров и их аналога в полупроводниках р-типа — А+ центров, указал Lampert /1/ в 1958 году. Н~-подобные центры в твёрдых телах сразу привлекли внимание исследователей в самых разных областях физики. Основными вопросами изначально были вопросы о самом существовании таких центров, о величине энергии связи и о размере волновой функции в различных материалах. Интерес к А+ и D~ центрам в объемных полупроводниках был вызван в первую очередь тем, что такие дефекты играют принципиальную роль в процессах прыжковой проводимости по примесным зонам. Системы с Н~-подобными центрами при различных концентрациях нейтральной примеси стали объектом изучения теории неупорядоченных систем с потенциалами малого радиуса. Так же Н~-подобные центры в полупроводниках привлекли значительное внимание как объекты моделирующие отрицательно заряженный ионон водорода в различных условиях. В частности, в астрофизике, в области изучения природы нейтронных звёзд и звёзд типа "белый карлик", оказалось необходимым исследовать поведение иона Н" в пределе сильного магнитного поля, когда циклотронная частота, делённая пополам, превышает энергию связи атома водорода. В лабораторных условиях получить такое магнитное поле (> 10Г)Т) невозможно, однако для D" центров в полупроводниках, ввиду малости их энергии связи и малой эффективной массы электрона, предел сильного магнитного поля оказывается легко достижим (~ ЮТ). С развитием технологии получения гетероструктур стала актуальной задача изучения А4" и D~ центров в квантоворазмерных системах. Так, например, в работе /51/ было показано, что наличие заряженных примесных состояний оказывает существенное влияние на работу резонансного туннельного диода. Последний всплеск активности исследований в данной области /5, 6/ был инициирован предложением схемы квантового компьютера на базе полупроводниковых материалов /7, 8/. А+ и D" центры, в данном контексте, представляют особенный интерес ввиду относительно большого, порядка 10нм, размера их волновой функции, что может позволить сконструировать наноразмерный прибор функционирующий на основе только одного "атомного" Н~-подобного состояния.
В отсутствие магнитного поля ион Н~ имеет одно синглетное состояние с энергией связи 0.055 /2/, где / — 7д*е4/2/г2с2 — эффективный ридберг. В полупроводниках, по причине малости эффективной массы носителей заряда и большой диэлектрической постоянной, энергия связи А+ и D" центров в несколько тысяч раз меньше, чем энергия связи иона Н~. Поэтому исследования Н~-подобных центров в объёмных полупроводниках возможны только при низких температурах ~ 1 К. Впервые существование заряженных примесей экспериментально было показано в работе Гершензона и др. /3/ (1971). Энергия связи А+ и D~ центров в германии и кремнии, измеренная в данной работе методом субмиллиметровой фотопроводимости, составила величину порядка 1-5 мэВ, в зависимости от материала и типа примеси.
Несмотря на сложность экспериментов и то, что в объёмном материале состояния заряженных примесей неравновесны, исследования Н~-подобных центров непрерывно продолжаются на протяжении последних 30 лет. Для исследований применяются такие методики, как фононная спектроскопия /60/, магнетнолюминесценция /52/, измерение проводимости в верхней зоне Хаббарда /4/.
С развитием техники эпитаксиального роста стало возможным изготовление квантоворазмерных структур содержащих Н~-подобные заряженные примесные состояния. Исследование А+ и D" центров в двумерных структурах имеет сразу два преимущества. Во-первых, методом двойного селективного легирования, легируя одновременно и яму и барьер, можно создавать равновесные заряженные состояния. Во-вторых, энергия связи локализованных состояний в квантоворазмерных структурах значительно возрастает, что позволяет изучать их при более высоких температурах. D~ центры в квантовых ямах к текущему моменту достаточно хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально (см. например /9, 10/). Между тем к началу работы над данной диссертацией была опубликована только одна статья посвященная А+ центрам в двумерных структурах /II/. В этой работе, методом исследования низкотемпературной проводимости квантовых ям содержащих А+ центры, была получена оценка для радиуса волновой функции дырки захваченной нейтральным акцептором (го ~8нм). Однако вопрос о других параметрах двумерного А+ центра оставался открытым.
В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось изучение свойств А+ центров в квантовых ямах.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:
Изучить возможность применения фотолюминесцентного метода для исследования А+ центров в квантовых ямах;
Исследовать экспериментально энергетическую структуру двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы;
С помощью метода измерения циркулярной поляризации фотолюминесценции исследовать экспериментально проявления тонкой, спиновой структуры А+ центра в магнитных полях;
Объяснить полученные экспериментальные результаты в рамках су- шествующих теоретических моделей для А+ центра в квантовой яме.
Для решения поставленных задач использовался метод фотолюминесцентного анализа структур с А+ центрами, основанный на существовании механизма рекомбинации дырки, захваченной нейтральным акцептором, и свободного электрона /12/. Исследовались спектры фотолюминесценции при различных интенсивностях накачки и температуре образца. Для получения данных о тонкой структуре А4" центра, анализировалась степень циркулярной поляризации фотолюминесценции образцов помещённых в магнитное поле.
Научная новизна определяется следующими полученными в работе результатами:
В структурах, содержащих квантовые ямы GaAs/AlGaAs с двойным селективным легированием, обнаружена новая линия фотолюминесценции, соответствующая излучательной рекомбинации дырки основного состояния А+ центра и электрона со дна зоны проводимости,
Экспериментально измерена энергия связи двумерного А+ центра в зависимости от ширины квантовой ямы.
Обнаружено уменьшение степени циркулярной поляризации и интенсивности люминесценции в сильных магнитных полях обусловленное внутрицентровыми диамагнитными эффектами,
Экспериментально обнаружено существование тонкой структуры
А+ центра, состоящей из двух, основного и возбуждённого, состояний, и оценены параметры этой структуры.
Положения выносимые на защиту:
В квантовых ямах GaAs/AIGaAs с двойным селективным легированием р-типа существует излучательный рекомбинационный процесс, обусловленный переходом свободного электрона на А- центр.
В спектре фотолюминесценции структур, содержащих равновесные А+ центры, доминируют две линии: линия излучательного перехода электрона со дна зоны проводимости на основной уровень А+ центра и линия рекомбинации экситона связанного на нейтральном акцепторе.
Энергетическая структура А+ центра в квантовой яме состоит из двух уровней — основного, со спином 3/2, и возбуждённого, со спином 1/2.
В сильных магнитных полях происходит пересечение уровней со спинами 3/2 и 1/2 таким образом, что уровень со спином 1/2 становится основным.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ им. Иоффе РАН, а также на следующих конференциях:
1. 26th International Conference: Physics of Semiconductors, 2002 Edinburg;
11th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2003 St.Petersburg;
12th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2004 St.Petersburg;
27th International Conference on the Physics of Semiconductors — ICPS-27, 2004 Arizona;
14th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, 2006 St.Petersburg;
Содержание работы отражено в пяти публикациях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Первая глава содержит обзор основных публикаций по теме диссертационной работы. В первом параграфе рассмотрены экспериментальные работы в которых впервые было показано существование заряженных примесных центров в полупроводниках аналогичных отрицательно заряженному иону водорода Н~, Во втором параграфе излагаются результаты исследований Н~-подобных центров в полярных полупроводниках. В третьем параграфе обзора описаны результаты исследований D" центров в двумерных структурах. Четвёртый параграф посвящен влиянию магнитного поля на состояния заряженных примесей. Во второй главе диссертации рассказывается о проведённых исследованиях А+ центров в квантовых ямах методом фотолюминесценции. Обсуждена сама возможность применения данного метода к изучаемому объекту, изложены результаты первых экспериментов. Во третьей главе описаны эксперименты, с помощью которых удалось измерить зависимость энер- гни связи А+ центра от ширины квантовой ямы, проведено сопоставление полученных результатов с данными теоретического расчёта, выполненного в модели потенциала нулевого радиуса. Четвёртая глава посвящена исследованию тонкой структуры А+ центра с помощью метода измерения степени циркулярной поляризации фотолюминесценции. Построена модель взаимодействия двух уровней А+ центра, объясняющая данные измерений. В заключении изложены основные результаты диссертации.
Н"-подобные центры в Si и Ge
Хронологически, впервые существование Н -подобных центров было экспериментально показано методом изучения фотопроводимости в субмиллиметровом диапазоне. Этот метод оказался предпочтителен потому, что других механизмов фотопроводимости в полупроводниках в данном диапазоне длин волн нет. Условия и техника эксперимента описаны в ряде работ /13, И, 15/. Измерения производились при низких ( 1 KJ температурах, в образцах с малой компенсацией примесей К. Для получения достаточной концентрации D и А" центров использовалось оптическое возбуждение носителей с основных примесных состояний в проводящую зону, откуда они захватывались на нейтральные центры. Для изучения свойств отдельных Н -подобных центров было необходимо изучать образцы с малой концентрацией примесей, так как повышение концентрации приводит к образованию различных комплексов, влияющих на спектры фотопроводимости. Исследования развивались в двух основных направлениях. Первое — изучение самого Н -подобного центра: определение энергии связи /. выяснение влияния на / многодолинной структуры полупроводника, магнитного поля, одноосного сжатия кристалла, определение сечений оптической и ударной нейтрализации /16/ центра и.т.д. Второе — изучение взаимодействия D и А4" центров с нейтральными и заряженными примесями при увеличении концентрации Л .
В первых экспериментах по изучению фотопроводимости, связанной с D" и А+ центрами/3, 17, 18/, не всегда оказывались выполненными необходимые условия по концентрации примеси Лг и температуре Т. Последующие измерения показали, что граница спектра и область наблюдения фотопроводимости с ростом N и Т смещается в большие энергии. Этим объясняется разброс в величинах ЕІ приводимых в различных работах/3, 17, 15/. К настоящему моменту величина ЕІ, соответствующая изолированным D" и А+ центрам, экспериментально определена в слаболегированных образцах при низких температурах (Лг1/\.() Ц) 2,кТ 0.1/). Полученные методом субмиллиметровой фотопроводимости значения ЕІ и их теоретическая оценка приведены в таблице по данным/15, 14, 19/.
Показания к применению фотолюминесцентного метода
На данный момент разработано множество экспериментальных методов исследования свойств А-1" центров в полупроводниках, таких, например, как метод субмиллиметровой фотопроводимости/23/, фононная спектроскопия/59/, магнитный циклотронный резонанс/56/. Применение данных методов, однако, связано с техническими затруднениями и использованием сложной экспериментальной техники. Между тем, давно известно, что существует рекомбинационный механизм при котором электрон из зоны проводимости переходит на уровень внешней дырки Существование подобного механизма рекомбинации открывает путь к использованию простого и хорошо разработанного метода измерения спектров фотолюминесценции для исследования А"1" центров. Однако до сих пор, соответствующую такому рекомбинационному процессу линию в спектре фотолюминесценции не удавалось обнаружить экспериментально. Это связано с тем, что в объёмных полупроводниках состояние А+ центра термически неравновесно, и вероятность оптического перехода с участием А+ центра и электрона зоны проводимости крайне мала.
С прогрессом в области технологий роста гетероструктур на основе GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии стало возможным изготовление образцов, содержащих квантовые ямы, с использованием техники, так называемого, двойного селективного легирования. Техника двойного селективного легирования заключается в том, что, при выращивании структуры, акцепторами легируются узкие 5-слои как в яме, так и в барьере. При низких температурах дырки с барьерных акцепторов Аь переходят в квантовые ямы, где захватываются нейтральными акцепторами Л1Г, образуя в результате А+ центры (рисунок 2.1);
Путём подбора оптимального уровня легирования ям и барьеров, можно добиться того, что все нейтральные примесные атомы, захватив добавочную дырку, превратятся в термически равновесные А центры. В таким образом легированных структурах вероятность оптического перехода электрона проводимости на дырку А+ центра должна превосходить вероятности всех остальных излучательных переходов. В данной главе описывается эксперимент в результате которого удалось обнаружить линию в спектре фотолюминесценции связанную с таким рекомбинаци-онным процессом.
Применение фотолюминесцентного метода для измерения энергии связи А"1" центров
В предыдущей главе было показано существование фотолюминесцентного перехода из зоны проводимости на основной уровень А+ центра. Однако, слишком большое легирование структур, которое было необходимо для электрических измерений, не позволило получить точное значение энергии связи А+ центров оптическим методом. В данной части работы было решено понизить в пять раз концентрацию А+ центров в яме, с тем чтобы исключить влияние на измерения верхней зоны Хаб-барда и уменьшить ширину примесной зоны. Также, с целью увеличить точность определения энергии связи А+ центра, была уменьшена ширина (5-слоя легирования в яме, с тем чтобы уменьшить влияние зависимости энергии связи от положения центра в яме на уширение линий. В результате общая ширина спектра фотолюминесценции структур, содержащих положительно заряженные акцепторы, уменьшилась в несколько раз. В спектре стали разрешаться две линии: линия излучательного перехода на А+ центр и линия рекомбинации экситонов связанных на нейтральных А0 центрах.
Оптические переходы соответствующие этим двум линиям отображены на рисунке 3.1. На схеме / показано начальное, равновесное состояние системы в отсутствие оптической накачки. Поглощение света накачки приводит к рождению электронно-дырочных пар (2). Вследствие рекомбинации свободных электронов с дырками, на основном уровне А+ центров в квантовой яме в спектре высвечивается линия с энергией кщ (3). Система содержащая фотовозбужденные электроны (4) может так же перейти в состояние (5) путём захвата свободного электрона на дырку А+ центра с образованием связанного экситона. Рекомбинация связанного экситона проявляется в спектре в виде второй линии Гипотетически, в спектре фотолюминесценции данной структуры могут присутствовать также линия излучения связанная с переходом свободного электрона на неравновесный нейтральный акцептор, образовавшийся в результате рекомбинации дырки А+ центра, или линия рекомбинации положительно заряженного триона. Однако, энергия связи триона слишком мала по сравнению с кТ в условиях эксперимента. Вероятность же рекомбинации электрона на А центр много меньше чем вероятности рекомбинации связанного экситона и А+ центра, так как А+ центры кулоновски притягивают свободные электроны, в отличие от нейтральных А0 центров.
Наличие в спектре фотолюминесценции структур с двойным селективным легированием обоих этих линий позволяет измерить энергию связи А+ центра. Так как энергия связи экситона локализованного на нейтральном акцепторе известна из литературных данных /70/, то, измеряя разность энергий пиков А+ центра и связанного экситона, можно получить точную энергию связи А4" центра. В этой главе будут изложены результаты измерения зависимости энергии связи А+ центров от ширины квантовой ямы в структурах GaAs/AIGaAs.
Измерение степени циркулярной поляризации фотолюминесценции, как метод изучения энергетической структуры А+ центра
В предыдущих главах было установлено, что существует излуча-тельный переход между основным уровнем электрона в квантовой яме и состоянием внешней дырки А+ центра. Теоретическая модель, рассмотренная в параграфе 3.3, предсказала также существование возбуждённого состояния А+ центра, положение которого, относительно основного состояния, определяется шириной квантовой ямы. Известно, что в приложенном внешнем магнитном поле уровни энергии как основного, так и возбуждённого состояний будут расщепляться. В том случае, если расщепление уровней имеет величину порядка энергетического интервала между уровнями основного и возбуждённого состояний, возникнет "взаимодействие уровней". Состояние внешней дырки А+ центра имеет боровский радиус в пять раз больше чем радиус дырки основного состояния акцептора, что позволяет пренебречь влиянием обменного взаимодействия этих дырок на энергетическую структуру. Если, как расстояние по энергии между основным и возбуждённым состояниями, так и индуцированное магнитным полем расщепление уровней будут больше чем кТ, то эффект "взаимодействия уровней" можно будет наблюдать экспериментально. Одним из экспериментальных методов, удобных для наблюдения подобного эффекта, является измерение степени циркулярной поляризации фотолюминесценции, возникающией при приложении к образцу внешнего магнитного поля.
Эксперимент
Образцы квантовых ям GaAs/Alo sGao As изготавливались методом молекулярно-лучевой эпитаксии в кристаллографическом направлении роста (100). Основные эксперименты выполнены на образце с шириной квантовой ямы IV, равной 16 нм, в котором наблюдается достаточно хорошее разрешение близко расположенных пиков фотолюминесценции связанного экситона и рекомбинационного излучения А+ центра. Фотолюминесцентное излучние регистрировалась с помощью охлаждаемого парами азота фотоумножителя ФЭУ-62 в режиме счета фотонов и анализировалась с помощью спектрометра ДФС-12 с двойной дифракционной решёткой. Накачка производилась линейно поляризованным светом гелий-неонового лазерома ЛГ-38, Схема эксперимента приведена на рисунке 4.1 Для определения степени поляризации и величины расщепления пиков спектры фотолюминесценции записывались в положительной и отрицательной циркулярных поляризациях. Магнитное поле было направлено перпендикулярно плоскости квантовых ям в образцах (конфигурация Фарадея),
