Эффекты междолинного смешивания в полупроводниковых гетероструктурах Киселев, Андрей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время стремительно развивается физика систем-пониженной размерности. Существенная перестройка функции плотности электронных состояний (при переходе от трехмерных объектов к двумерным и т.д.) определяет драматическое изменение спектров оптического поглощения, фотолюминесценции и отражения. К наиболее часто исследуемым и представляющим практический интерес структурам следует отнести прежде всего различные тины гетероструктур.

Успехи технологии, в особенности молекулярно-пучковой и металл-органической эпитаксии, создали основу для получен і высококачественных гетеропереходов — границы двух полупроводниковых материалов с малой концентрацией дефектов (островков, ступеней и т.п.). Оказалось возможным выращивать столь тонкие слои полупроводников, что эффекты размерного квантования стали существенным образом влиять на свойства структур.

Открытие целого ряда ярких физических явлений в свою очередь стимулировало новые работы в физике полупроводниковых низкоразмерных систем. Огромное число работ было посвящено экспериментальным и теоретическим исследованиям разрывов зон в гетеропереходе, физике экситонов и примесных центров в системах пониженной размерности, фопонам, влиянию внешних электрических и магнитных полей на спектр и свойства носителей, процессам генерации и релаксации возбуждений [1].

В то же время соединение различных полупроводниковых материалов в единой гетерострукгуре привносит необходимость теоретического рассмотрения нового физического объекта — гетерогра-ницы или интерфейса. Изменение параметров кристалла на расстояниях атомных масштабов нарушает строгую периодичность, что эквивалентно появлепию сильпейпшх электрических микрополей. Сложная задача описания движения частиц в такой структуре с необходимостью решается в рамках приближенных методов.

Чрезвычайно актуальным в последние несколько лет счал вопрос о смешивании электронных состояний в гетероструктурах вследствие своей фундаментальной значимости для физики полупроводников, а также потенциальных приборных приложений. Значительные усилия и рамках этого общего направления сосредоточены на теоретическом и экспериментальном исследовании междолишюго смешивания. В теоретическом плане до сих пор данная проблема решалась в основном с привлечением численных методов [2]. Ярким и неожиданным результатом оказалась зависимость эффектов смешивания от четности числа монослоев в слоях полупроводниковых соединений, формирующих гетероструктуру. Одним из недостатков численных методов расчета является невозможность физического анализа результатов, затрудняется выявление причин, ведущих к качественной зависимости эффектов междолишюго смешивания от четности числа мопослоев. Это осложняет теоретическое изучение проявлений междолинного смешивания в оптической спектроскопии, туннельных експериментах. Первые не очепь удачные попытки обобщения метода эффективной массы для учета аффектов междолишюго смешивания [3] принели к постановке вопроса о принципиальной применимости метода для расчета такого рода эффектов. Сказанное выше обуславливает актуальность темы данной диссертации.

Целью настоящего исследования является построение последовательной теории междолишюго смешивания в полупроводниковых гетероструктурах в рамках обобщенного метода эффективной массы, а также изучение проявлений этих эффектов в туннелиронаиии через структуру, ее вольт-амперной характеристике, оптической спектроскопии полупроводниковых сверх решеток.

Научная новизна работы заключается в решении поставленных задач,а именно:

1. И чем причина возникновения чффекчоп междолишюго смеши нянин, зависящих о'і четносін числа мопослоев, в нол\п|>'ш.>,і

- 5-никовых гетероструктурах.

1. Как проявляются эффекты смешивания в спектрах туп-пелиропания электронов через однобарьерную структуру GaAs(AlAs)AfGaAs.

2. Какую роль играют эффекты междолинпого смегшпэапия в формировании вольт-амперной характеристики одаобарьерпой ге-тероструктуры.

3. О характеристиках вкситонного состояния в сверхрешетке (СаАз);у(А1Лз)лі типа II и проявлении эффектов смешипаїгші в экситоштой межзошгай спектроскопии.

4. Расчет Х_х — X_v минизонного спектра и коэффициента межмилизонного поглощения в "непрямых" сверхрешетках (GaAs)jv(AlAs)M.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Зависимость эффектов междолинпого смешивания от четности числа мопослоев является следствием различных трансляционных свойств электронных блоховских состояний, принадлежащих разным долинам. Эти эффекты могут быть успешно описаны в рамках обобщенного метода эффективной массы.

2. Учет эффектов четности приводит к качественной перестройке тонкой структуры спектров туннелирования электрона через однобарьерную структуру GaAs(AIAs)MGaAs. Сопоставление с результатами численных расчетов позволяет ставить вопрос о более точном определении зонных параметров полупроводниковых материалов.

3. Рассчитанная теоретически сила осциллятора экситона при учете лишь разрешенной) симметрией механизма Г — ,Y сме-шшыпия на идеальных интерфейсах согласуй ни с экснеримен-

-6-тальаыми данными по резонансному оптическому поглощению п сверхрешетках GaAs/AlAs типа II.

4. Эффекты Х_х — Х_у смешивания определяют спектры прямых оптических межминизонных переходов в "непрямых" сверхрешетках GaAs/AlAs. Анализ показывает качественную зависимость этих спектров от четности числа монослоев в слоях GaAs и AlAs.

Научная и практическая значимость работы состоит в- обобщении метода эффективной массы с целью включения в сферу анализа эффектов смешивания электронных состояний на интерфейсах гете-роструктуры. Предложенный формализм дает возможность простого количественного расчета эффектов смешивания при конструировании фотодетектороп, датчиков давления, оптических бистабиль-ных устройств, работа которых основана на этих эффектах. Экспериментальные исследования и сравнение их результатов с теоретическими оцецками ведут к лучшему пониманию зонной структуры полупроводниковых гетероструктур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, на рабочих семинарах в университетах Регенсбурга, Парижа, Линчепинга, VI Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Гармиш-Партенкирхен, Германия, 1993), III Международной конференции по оптике экситонов в квантоворазмерных системах (Моняелье, Франция, 1993).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6-ти печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Список литературы содержит 99 наименований. Объем диссертации составляет 115 страниц, в том числе 18 рисунков.