Энергетический спектр и вертикальная прыжковая проводимость сверхрешеток с контролируемым беспорядком Ормонт, Михаил Александрович

Введение к работе

Актуальность темы Последние годы характеризуются стремительным развитием физики систем пониженной размерности. Следует отметить, что в значительной степени это развитие обусловлено совершенствованием высоких технологий, позволяющих создавать такие структуры. "Впервые" идея создания полупроводниковой сверхрешетки (СР) была высказана Есаки и Цу в 1970 г [1].

Строго говоря, в любой СР существует случайный разброс толщин слоев. Как правило, основные технологические усилия при создании СР направлены на уменьшение беспорядка и создание как можно более совершенных периодических структур [2] В то же время особенности технологического процесса позволяют выращивать и непериодические структуры с контролируемым изменением параметров отдельных слоев структур с множественными квантовыми ямами (инженерия сверхрешеток и квантовых ям). В частности, таким путем можно искусственно задавать вертикальный беспорядок (беспорядок в направлении оси роста). Этот подход был реализован при создании и исследовании сзерхрешеток с контролируемым беспорядком (СРКБ)

СРКБ представляют собой структуры с квантовыми ямами, распределение уровней размерного квантования в которых можно задавать контролируемым образом путем управления толщинами слоев в процессе роста. СРКБ являются модельными квазиодномерными системами, позволяющими изучать влияние величины и типа беспорядка на энергетический спектр и кинетические свойства сверхрешеток.

Результаты недавних исследований структур на основе GaAs/GaAlAs [3], однородно по объему легированных Si, с числом ям порядка 10², обнаружили ряд нетривиальных особенностей вертикальной (в направлении оси роста СР) проводимости при низких температурах В частности, оказалось, что даже при большом беспорядке, когда задаваемая ширина случайного распределения уровней размерного квантования (флуктуации ширин ям обеспечивали гауссово распределение уровней размерного квантования) заметно превосходит ширину минизоны и естественно ожидать, что все состояния минизоны локализованы, вертикальная проводимость слабо зависит от температуры, демонстрируя квазиметаллическое поведение Для объяснения указанной особенности поведения вертикальной проводимости в [3] было предположено, что она связана с влиянием кулоновских полей, обусловленных перераспределением электронов между ямами, на энергетический спектр легированной СР.

Цель настоящей работы состоит. 1. в исследовании влияния кулоновских полей, возникающих вследствие беспорядка, на

электронный спектр легированных композиционных СРКБ; 2 в вычислении вертикальной проводимости СРКБ и анализе ее температуркой зависимости

Научная новизна работы заключается з следующем 1. Проведен расчет электронного энергетического спектра легированных СРКБ с учетом

кулоновских полей, связанных с перераспределением электронов между квантовыми

ямами. 2 Для вычисления основного состояния легированных СРКБ применен метод, основанный на

модификации теории функционала плотности. 3. Показано, что в стационарном случае в слабых электрических полях задачу о

проводимости СРКБ можно свести к задаче о сетке случайных сопротивлений,

"включенных" между "макроузлами", соответствующими квантовым ямам

4. Вычислены эффективные сопротивления для междуямных переходов с участием акустических и оптических фононов. Показано, что при не слишком малых концентрациях и не слишком низких температурах температурная зависимость интегральных темпов переходов между ямами и вертикальная прыжковая проводимость СРКБ может быть безактивационной. Основные научные положения, выносимые на зашиту.

1. Применение метода, основанного на теории функционала плотности, к расчету основного состояния легированных СРКБ.

2. Сведение квантового кинетического уравнения для электронов в СРКБ к уравнению баланса для электронных переходов между макроузлами, соответствующими квантовым ямам. Расчет вертикальной проводимости СРКБ путем сведения задачи к сетке случайных сопротивлений, "включенных" между макроузлами.

3. Анализ температурной зависимости вертикальной прыжковой проводимости СРКБ.

Научная и практическая значимость. Результаты настоящей работы могут быть использованы при разработке новых функциональных принципов создания приборов на основе наноструктур с использованием композиционных сверхрешеток.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения и списка литературы, включающего 106 наименований. Основная часть работы изложена на 121 страницах машинописного текста. Работа содержит 13 рисунков.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи и 8 тезисов докладов на конференциях, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация. Результаты диссертации докладывались на 3-й и 4-й Всероссийских конференциях по физике полупроводников {Москва 1997г., Новосибирск 1999г.}, 24-оі Международной конференции по физике полупроводников (Иерусалим 1998г.), Ломоносовские чтениях (Москва 1998г.), 6-ой конференции студентов и аспирантов "Ломоносов 99' (Москва 1999г.), 8-ой Международной конференции по прыжковому переносу (Мурсия 1999г.) 8-ом Международном симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербур< 2000г.).