Введение к работе
Актуальность темы. Изучение свойств двумерных электронных систем - одно из перспективных направлений физики полупроводников.
Одним из наиболее удобных объектов, которые используются для исследования свойств двумерного электронного газа«является структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура). При прило-иении электрического напряжения между затвором и подложкой МДТІ-структуры на поверхности кремния формируется потенциальная яма для электронов. В результате квантования движения электронов в этой потенциальной яме в направлении, перпендикулярном поверхности, в энергетическом спектре поверхностных электронов образуется набор подзон размерного квантования.
Для исследования энергетической структуры подзон а двумерных электронных слоях на поверхности кремния первое время наиболее широко использовались метод межподзонного оптического резонанса в спектрах поглощения инфракрасного излучения и магиитотранспортный метод, основанный на изучении эффекта заполнения верхних по энергий подзон размерного квантования [1].
Обнаружение в работах [2,3] линии рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на поверхности кремния в МДП-структурах (S-линин) привело к созданию нового высокочувствительного метода исследования - оптической спектроскопии двумерного электронного газа на поверхности полупроводника. 3 работах [4,5] в спектре рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на [!00]-поверхности кремния были разрешены уровни Ландау двумерных электронов, что позволило непосредственно по спектрам люминесценции изучать плотность состояний двумерных электронов в магнитном поле. Оптические исследования [100]-элект~ ронного слоя в более широком диапазоне концентрации двумерных электронов [6] показали, что спектр S-линии отражает форму спектра плотности состояний двумерных электронов при небольшой концентрации электронов. В работе было обнаружено, что при увеличении концентрации двумерных электронов на коротковолновом краю S-линии появляется резко выраженная особенность (экситонный резонанс), обусловленная усилением электронно-дырочного взаимодействия для электронов вблизи уровня Ферми [8]. Появление экситонного резонанса не связывалось авторами с заполнением электронами второй
- 4 -подзоны размерного квантования,поскольку выполненные в [8] исследования проводились при плотности двумерных электронов не превы-пающей .критической концентрации начала заполнения второй подзоны в аккумулирующем слое [?]. В работе [8] коротковолновая особенность в спектре рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок ча [100]-поверхности кремния наблюдалась приблизительно в той же области электронной концентрации, но интерпретировалась авторами как свидетельство заполнения электронами второй подзоны размерного квантования.
При интерпретации результатов оптических исследований двумерных электронных слоев на поверхности полупроводника необходимо учитывать изменения, которые происходят в равновесном слое при возбуждении в полупроводнике неравновесных носителей. Во-первых, неравновесные дырки,-связываясь на заряженных акцепторах, нейтрализуют заряд в слое обеднения. В результате на поверхности кремния в условиях оптического возбуждения образуется электронный слой, который независимо от типа и степени легирования кремния по своим свойствам близок к аккумулирующему слою. Кроме того, электронно-дырочное корреляционное взаимодействие неравновесных носителей с двумерными электронами приводит к образованию вблизи поверхности дополнительного неравновесного дырочного слоя [2,3]. При низких уровнях возбуждения присутствие второго слоя с малой концентрацией неравновесных дырок не должно сильно влиять на энергетический спектр двумерных электронов. Вместе с тем, кулоновское взаимодействие Электронов и дырок' в такой двухслойной системе моиет приводить к возникновению экситонных эффектов.
Для выяснения природы экситонного резонанса в диссертационной работе проводились магнитооптические исследования линии рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]-поверхности кремния до и после заполнения электронами второй подзоны размерного квантования. После заполнения второй подзоны следовало ожидать существенных изменений в спектре рекомбинационного излучения.
Диссертационная работа посвящена изучению эффекта заполнения второй подзоны в [100]-аккумулирующем электронном слое в оптически возбужденном кремнии оптическим и магнитотранспортным методами
- 5 - ' и исследовали» новых физических явлений в системе двумерных электронов и неравновесных дырок в области заполнения электронами второй подзоны. При этом использовалось уникальное свойство МДП-структур - возможность непрерывного изменения плотности двумегаых электронов в широком диапазоне. На основе полученных результатов в работе разработан метод оптической спектроскопии подзон размерного квантования в двумерном электронном слое на поверхности кремния. Основные положения этого метода кшко использовать в экспериментах по оптической спектроскопии двумерного электронного газа в гетероструктурах.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что выполненные в ней исследования связаны с фундаментальными проблемами физики двумерных электронных систем и физики поверхности.
Основная цель диссертационной работы состояла в исследовании новых физических явлений в системе двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]~поверхности кремния в области заполнения электронами второй подзоны размерного квантования.
Для решения поставленной задачи, в диссертации были выполнены подробные исследования магнитопроводимости двумерного электронного слоя,спектров рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок, а такле циркулярной поляризации излучения в магнитном поле. Кроме этого, для определения природы линий люминесценции в работе широко использовался' метод, основанный на изучении парамагнитного гашения рекомбинационного излучения.
Научная новизна и практическая ценность диссертации состоит в обнаружении новых свойств неравновесных носителей на поверхности полупроводника, которые имеют важное значение для физики двумерных электронных систем и физики поверхности. Эти результаты могут быть использованы в физике полупроводниковых прибороз, работающих в условиях существования з них неравновесных носителей заряда.
Проведенные в работе экспериментальные исследования позволили сформулировать основные научные положения, представленные к защите.
1. Обнаружено заполнение второй подзоны размерного квантования в С100]-аккумулкрующ8М электронном слое в оптически возбужденном кремнии,которое сопровождается появлением новой линии люминесцен-
ции, обусловленной излучательной рекомбинацией электронов из второй подзоны"и неравновесных дырок. Установлено, что вторая подзона представляет собой четырехкратно вырожденное орбиталыго-долин-поо состояние электронов с главными осями элипсоидов изоэнергети-ческой поверхности, параллельными поверхности кремния. 8. Обнаружено, что в спектре состояний двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]-поверхности кремния перед заполнением электронами второй подзоны возникает экситонный уровень энергии, который обусловлен электронами из нижней подзоны и неравновесными дырками и наблюдается в спектре люминесценции в виде резко выраженной коротковолновой особенности (экситонного резонанса) линии рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесньк дырок.
-
Установлено, что эффект анизотропного гашения экситонного резонанса в- спектре рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]-поверхности кремния в наклонном магнитном поле обусловлен заполнением нижних по энергии спиновых- состояний электронов и дырок в поверхностных экситонах и сильной анизотропией g-фактора поверхностных дырок.
-
Обнаружена сильная анизотропия g-фактора неравновесных поверхностных дырок в кремнии.
Сформулированные в научных положениях результаты являются новыми .
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались
на семинарах ФТИ им.А.Ф.Иоффе.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 3 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 88 наименований. Объем работы - 98 страниц, включая 21 рисунок.
