Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование систем, содержащих: большое число взаимодействующих частіш, является одной из наиболее закннх и сдоищх задач современной физики. Интерес к проблеме коллективных взаимодействий в полупроводниках обусловлен не только важностью проб-лекн многих тел для физики а целсі», но и практическими нуждами бистро развивающейся современной микроэлектроники.
Значительный интерес при исследовании многочастичных взаимодействие представляет 'система непрямых экситонов в германии -связанны" состоянии электрона и дырки, способных сзооодно переливаться да кристаллу. Больїяіє времена хпзня нелря.мых экситонов, связанные с особенностью зонной структуры германия, а также его технологическое совершенство, позволяют легко создавать экситоннык газ большой плотности. Плавное изменение концентрації!! экситонов в широком диапазоне легко достигается соответствующим изменением уровня накачки. Большая величина диэлектрической проницаемости, а такие палая величина эффективных глее электронов к дьфок позволяют рассматривать систему непрямих экситонов как аналог обычной многоэлектронной системы с сильно увеличенными лннекнши и уменьшенными энергетическими масштабами и относительно простыл;: средствами моделировать на ней многие свойства пногоэлектронних систем з условиях сверхоиль-кцх давлений, магнитных и электрических полей, практически не доступних в настоящее время для обычного класса вецесгв. К преимуществам этой системы следует также отнести возможность изменения степени анизотропии к отношения эффективных масс электронов и дырок, а такие возможность изучения свойств многокомпонентной сисгэмы в случае многодолиниого полупроводника', состоящей из кетовдественных в квантовом с:тксле частіш. Есе это делает систему непрямых экситонов уникальным объектом исследования. Изучение коллективных свойств экситонов является фундаментально:! проблемой, решение которой ігг.іезт большее значение для физики систем, содержащих больлое число взаимодействующих част:т, что и оппечехет актуальность теш диссертации.
В результате экспериментальных исследовании 6v.ic установ-
лено, что при вязких тешерагурах в германии б системе непрямых экситонов происходит фазовый переход пэрЕОГо рода, сопрс-иолцээдийся расслоением системы на экситонный газ я капли электронно-дырочной жидкости, представляющие собой вырожденную электронно-дырочную плазму и являющиеся аналогом металлического состошіия вещества. Основные параметры такой плазмы'целиком определяются решеткой кристалла, а свойства во многом зависят от взаимодействия с неї;.
Исследованию свойств электронно-дырочных капель (ЭДК) было посвящено бользое количество работ, однако, ароблеш их взаимодействия с решеткой кристалла и связанная с ней проблема дэпжэния ЭДК продолжала оставаться неясной.
Сеслсипя о дзйхзюш ЭДК оказыьашоя .важными при изучении
одного из фундаментальных явлений прітродн - разового перехода
первого рода газ - зидхость, когда в результате двдяения заро
дыши новой фазы могут покидать область конденсации за врег/я,
меньшее времени их роста до капель стабильного размера. При
этог.1 коает произойти нарушение квазиравновесия в систгме заро
дышей докритического размера и резкое изменение характера са
мого перехода. Особенно актуально это становится при исследо
вании кристаллов ограниченного размера, а такке ллбых систем, '
где существует эффективный выкос зародышей из области конден
сации. .
. Уникальность свойств электронно-дырочной жидкости даст основания для обнаружения новых многоэлектронаых эффектов, поиски которых в других мкогоэлектронных системах не привели к ожидаемому результату [I] .
Уже из беглого анализа в;шно, что уменьшение одного из размеров кристалла - собственно то, к чему стремится современная микроэлектроника - мо?ієт привести к радикальному изменения свойств всей электронно-дырочной системы в целом. Лее более существенных изменений следует скидать, когда один из размеров образна становится соаЕіал.і с длиной волны де-5ро:іля элек-.трока. При этом на физические свойства системы начинают оказывать влияние квантовс-рззмерные аффекты, исследования электронных яглении в двумерных системах определяя? з настоящее время едно из наиболее актуальных направлений з ;^из;:ке кокденсирозан-
кого состояния вещества. Особый интерес представляет изучение многоэлектрошшх эййектов в таких системах, поскольку понижение размерности приводят к усилению электронно-дырочного куло-новского взашлодействия.
СвоіістЕа двумерных слоев поверхностного заряда в условиях существования неравновесной электронно-дырочной скстглш в объеме полупроводника исследованы мало. Проведенпе таких исследований сопряяеяо с использованием высококачественных структур, изготовление которых стало возможным лишь благодаря успехам современной технологии [2] л ограничено весьма узким классов,, веществ. Влияние поверхности на коллективные свойства неравно-esceux электроноЕ и цырок В ПОЛуПрОБОДНИКаХ не исследоЕалссь, Лосколъйу целенаправленно и е ілгрских пределах варьировать свс;:стеэ поверхности в таких структурах не представляется всз-.моанш. ."..:о:жо ожядагь, что топювкію круга испохъзуеивх материалов, а такле возмознюсть управлять свойствами псверлюсти приведут к обнаружение новых многоэлектронных явлений и будут способствовать дальнейшему развитию микроэлектроники.
Актуальность диссертации обусловлена тем, что выполненные в ней исследования затрагивают ({ундаменталыше проблеет физики многочасткчнах систем, физики поверхности, физики двумерных систем, аспекты технологии. Изучеюіе многоэлектронных явлений в неравновесншс электронно-дырочных системах имеет большое значение для понимания флзігческих процессов в полупроводниковых приборах, работающих в условиях существования б них неравновесной электронно-дырочной плазмы.
Цель юзботы.
. Основная цель работы, заключалась в исследовании системы взаи/'.юде'лствутацих неравновесных электронов и дырок в кристаллах германия. Изучение взаимодействуя конденсированного состояния неравновесных электронов и дырок с кристаллической регет-коіі шлело сі.оей целью выяснение основного из двух, продлеяен-ннх Л.В.Келд'Ш'.ем, механизмов извлечения ЗДК фононами [3, 4] , эффективного источника таких <Гчшонов п тем самім причины лви-ieiv.-я ЭДК.
Знясненне от:::-: вопросов определило другую иел;. _-лэо:н -
,-6-
исследование, влияния поверхности на кинетику фазового перехода экситонный газ - ЭДН в германии, происходящего в условиях интенсивного диффузионного или дрейфового вынооа зародышей новой аазы из области конденсации на поверхность.образца.
Являясь квантовой жадностью, обладающей малой плотностью ,п энергией местастичного взаимодействия, ЭДЖ в, германии представляет собой уникальный объект исследования, позеоляшшй.изучать в ней целый ряд явлений, наблюдение которых затруднено или дане невозможно для обычного класса веществ.. Именно таким исследованиям в диссертации уделялось особое внимание. Среди
них: магштоакустический эффект в увлечении ЭДК-фонокаыи, про
являвшийся в. квантовых осцилляциях скорости движения макроско
пических объектов, каковыми являются ЭДК; кудоногсксй, резонанс
на уровне Ферми в ЭД2, проявляющийся в резонансном усилении
коэффициента поглощения германия вблизи сдвига Мосса-Бурштей-на, обнаружение которого является экспериментальным подтверждением теоретических представлений, развитых в работе [I] ; экранирование спин-орбитального экситона ЭДЖ в германки, которое в этом случае может изучаться в чистом виде без учета эф-
' 'і'екта Чосса-Бурштейна.
Целы) диссертационной работы являлось также создание двумерных неравновесных систем электронов и дырок на поверхности германия и исследование влияния свойств этой поверхности на поведение системы неравновесных-электронов п.дырок.
Объекты и метода исследования.
Все эксперименты в настоящей работе быливыполнены на чистом германии. Знбор этого полупроводника обусловлен в первую очередь совершенством технологии его производства, позволяющей выращивать монокристаллы высокого качества с концентрацией остаточных примесей не выше 10 см , точным знанием его основных параметров, а также особенностям его зонной структуры, обе-, спечивашим существование в неї», двух типов акситонов - прямых,
обусловленных кулолоБСКим взаимодействием электрона v. ды^кп
в Г -течке, к непрямых, связанных с боковыми минимумами зоны п;<свэдимсс?к. Наличие прямых окс'ігеиоз позволяет использовать высокочувствительный метод модуляционной &ПЄК1роскопии [5] при
исследовании коллективных явлении в тонких образцах. Еольезіє
времена хсизяи непрямых экеигояов позволяют легко получать их высокую плотность. Кногодолішность германия способствует ВЫСОКОЙ стабильности ылогочастнчных систем.
Для проведения исследовании свойств неравновесной электронно—дырочкой спстеї.пі в гермашш был создан ряд новых методов. С иельа повышения достоверности результатов исследований в некоторых случаях при изучения одного к того ке явления использовались деє независимые методами. Так, для изучения проблемы движения ЭДХ был использован внешний тепловой гзператор, позволяющий не только эффективно проводить такие исследования, но v. осуществлять управление движением ЭДК. Особенно полезным ок оказался при исследовании кинетики конденсации экситоков з гь-рг.ашш. Использование теплового генератора в сочетании с традиционным фотоэлектрическим методом р-а-переходов 16], . а тактів независимым оптическим методом, основанном на обнаруженном з'работе эффекте гашенім рекомбшанионяого излучения ЗДХ тепловыми импульсами, позволило расширить экспериментальные возможности л резко повысить надежность результатов исследована:'!.
Б работе преддсззя новы;'; оптический метод определения размеров ЭДК в тонких кристаллах геркания на ессх этапах формирования системы, основанной на использовании известного эффекте модуляция коэффициента поглощения гермашш в области края прямых переходов ЭД2 15] .
Для создания и исследования цвумеркых систем неравновесны:', электронов и дырок на' поверхности практически ласого полупроводника предложен метод, основанный на использовании границы раздела полупроводник - электролит, помешаешй в специально разработанную электрохимическую ячейку с последующим ее ох-ла;кдекпем вплоть до тзгллературы жидкого гелия. Подбором соответствующего электролита, а также технологического режима можно управлять свойствами поверхности полупроводника.
Е работе предложен еае один метод создания двумерных неравновесных электронно-дырочных систем на поверхности полупроводников, когда двумерная квантовая яг.а создается пріг осаече-;і:ш лсворхнисги полупроводника светом з результате пе хі'аряд-к;: поперхностных ц/знтрсв, оЗлгддіипх анизотропией тзченніі за-
адата по отношению к одноьу кз двух типов неравновесных носителей заряда. Использование этих методов открывает новые возможности для создания к исследования двумерных систем с использованием широкого класса полупроводниковых веществ.
Научная новизна и основные научные колояения.
Научная новизна диссертации определяется следукщигли представленными к зашите основними научными положениями:
-
Из двух предложенных Л.В.Келдышем 13, 4] механизмов увлечения ЭДК йононама основным является поглощение в них .длинноволновых акустических бононов с о. і 2KF . Интенсивным источников таких соионов являются сами ЭЛК.
-
Существует глагнитоакустзчееккй э<]йект в увлечении ЭДК длинноволновыми акустическими йононаот, проявляющийся в осцкл-' линиях скорости увлечения ЭДК в продольных квантующих ЬЯГНИТ-ных полях.
-
Интенсивный диффузионный вынос зародышей новой азн . нз.ойгасти конденсации на поверхность образца в тонких кристаллах германия, толщиной меньле экелтокной диффузионной длины, приводит к сдвигу газовое ветви фазовой диаграг.мы в область' сверхвысокого пересыщения. При этом сам фазовый переход экси-тоны - ЭДЖ в германии описывается не термодинамическими, а только кинетическими характеристиками системы.
-
Реализован кяьетическлн фазовый переход в толстых кристаллах Германия, тслциноіі больше экситенной диффузионной длины. Эффективный вынос зародышей дозой фазы -і<з очисти конденсаций на поверхность обрэзиа в эток случае осуществлялся готокигл (Johokob от внешнего теплового генератора.
-
Существует кулоковекпк резонанс «а уровне Ферми в ЭЛЕ е гёрг.ании, предсказанный для вырожденных полупроводников [1\. Зойект проявляется з резонансном усилении коэфигшиента погло-- -зекия вблизи 'Іосс-БуолтеГшсЕского сдвгга края поглощение гер-:.ания внутри ЭЛД.
6. КулоноЕскоо взаимодействие электронов и дырок оказыва
ет существенном влияние к& формирование края фундаментального
пігдсеєііі-я гергачия Е области прямых оптических переходов ;*з
спиЕ-орбит&льио отщепленной вчлектной зоны а центральні.:1 v:sy:.k-
- 9 -мум зони проводимости.
'7. Разработан новый метод создания неравновесных двумерных систем электрокоЕ и дырок на поверхности практически любого полупроводника, основанный на использовании границы раздела полупроводник - электролит с последующим ее охлаждением.
3. Существует двумерное состояние неравновесной электронно-дырочной плазмы на поверхности германия, представляющее собой локализованные вблизи поверхности пространственно разделенные квантовые слои электронов и дырок.
9. Реализовано деэ новых состояния неравновесной электронно-дырочной плазмы на поверхности германия, имеющих копденоат-пый характер. Сба состояния наблюдаются в условиях доходно слабого загпба зон.
: Первое состояние наблюдается только при налички большії плотности поверхностных центров. Ско двумерно и, дс-внцнмому, представляет собой локализованные вблизи поверхности пространственно разделенные квантовые слои электронов и дырок, обусловленные образованием квантовой ямы в результате перезарядки по-Еерхксстных центров при ^оговозбуздекии.
Бтосое состоянье трехмерно и, по-Еидамоку, представляет собой объемную ЭДН, локализованную вблизи поверхности в классической потенциальной яме.
Научная а практическая ценность работы.
3 работе создано два коеих направления в с-кзихе полупроводников: первое - оптическая спектроскопия границ раздела полупроводник - электролит; Еторое - влияние поверхности кристалла на коллективные свойства системы неравновесных элзктронов и дырок в полупроводниках. Обнаружено три нових состояния неравновесной электронно-дырочной системы на поверхности германия. Существование этих состояний, два из которых имеют двумерную природу, а третье - трехмерно, определяется ссстсяіпем поверхности кристалла. Изучение свойств этих систем привело к возникновению новых представлении о шпіянпи поверхности на коллективные свойства неравновесной электронно--шпочлеп системі и, в частийстп, о двух возможных процессах ас кокценсации на поверхности кэнстнлла. Исследование влккнля повйрхнчети 1»о про-
- 10 -иесс конденсации эксптонов в ЭДН стимулировало развитие новых идей о кинетике казового перехода в открытых системах. Результаты этих исследований, а также предложенный в работе метод создания двумерных систем неравновесных электронов и дырок на поверхности практически любого полупроводника в сочетания с возможностью управлять свойствами этой поверхности открывают широкие перспективы для обнаружения целого класса новых явлений х.
Полученное в работе экспериментальное подтверждение существования кулоновского резонанса на уровне Ферми в ЗД2 мокно рассматривать как новый шаг в изучении этого шогочастичного эффекта. Представленные в работе результаты исследований по проблеме движения ЭДК имеют вагл-оэ значение для понимания свойств ЭДЕ в германии.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что ее результаты могут быть использованы в физике оптоэлектронных приборов, работающих при высоких уровнях оптического возбуждения, а'тэкяе приборов с двумерным электронным газом.
Аггробаиия работы.
Основные результаты работы докладывались на Международном конференции по физике полупроводников (Стокгольм, 1986 г.), на Международной конференции по использования сильных магнитных полей в физике полупроводников (Оксфорд, 1932 г.), на Международно:! семинаре по нелинейно;; оптике и кинетике возбуждения в полупроводниках (Бадстуер, 1937 г.), на Всесоюзних конференциях по физике полупроводников (Баку, 1932 г.; Минск, 1935 г.; Кпшшев, IS38 г.), на Всесоюзных семінарах "Эксптсны в кристаллах" (Кшдшев, 1973 г.; Черноголовка, 1534 г.), на 2 Всесоюзном семинаре "Электронные процессы в двумеріїнх системах" (Новосибирск, 1935 г.), на Всесоюзном семинаре "Люминесценция молекул и кристаллов" (Таллинн, Г987 г.), на Бсесолзногл
х Использование этого метода в работе [7] попеєло к сб-нарухзшпс нсбото двумерного состояния неравновесной электрон-кс-дырочко:; системи на поверхности ua-/is .
- II -
о слеша ре "Теоретические проблема физики полупроводников" (Ереван, Ї987 г.), на Зсесоязннх семинарах "Оптическое детектирование магнитны/ резонансов в твердых телах" (Киев, Ї985 v., Таллинн, 1937 г,), ка Всеооизннх совесаигях "Экопгокы в цолу-птюводнпкач" (Ленинград, 1932 г.; Зпльнюс, IS38 г.), на Ееееі -язных совещаниях по люминесценции (Езерниекп, 1930 г.; ..гепил-грэд, 1931 г.), на XII: Всесоюзном совещании по физике поверхностных явленлЛ з полупроводниках (Хлев, 1954 г.), на Г". Всесоюзном сашозиуге "Елекгрокныз процессы ка поверхности п в тонких слоях полупгсводніїков'' (Невссибдрск, 1985 г.), яа П Респуб-лккэкскох кок^зрекгаи по фотоэлектрическим явлелхяг в полуяро-водялках (Сдєсса, 1982 г.), на 7 РеспуЗідкансхо:': кск'переніг.::: Ідзі.чесхие проблемы .'.ЛИ х;;?егралъно:: эдекч'соиикх'* Црсгобыч, 1Э37 г.), яп Ресггублжакско:.! селхнаре "'.'.асе.'латнческсе моделирование физических процессов в полупроводниках я полупроводниковых приборах" (Ростов Зелхкиґі, IS3S г.), на 71 Рєспубхікак-сг.ом коллоквиуме по модуляционной спектроскопии (Сухуі,-л,І937 г.).
Очх дохлздьізалхсь такзе ка физических семинарах е Ж і хід. Я.Ф.МсгВДе (Ленинград), "21 АН СССР (Новосибирск), Ленинградс-::ом государственно?.: університете.
Результаты лсочадований, воі..єд:::их в диссертации, страшены'з ряде обзоров С 3-Ю]
Публикации.
По материалам диссертации опубліковано 20 ос до mux нау'і-них работ, перечень которых приведен в кокие автореферата.
Стпукгут:-а :: объем диссертации.
ДіІССерТйШГЯ СОСТОИТ ИЗ ЬВедеі'ИЯ, Четырех ГЛаВ, 32КЛОЧ2ИХС
л спхека цитируемо;*. ллторатуры, из 214 наш.;ено>зпнхх. Объем ч::с-серташп составляет 240 страниц, включая 4 рхсу.чка.
.-12-