Введение к работе
Актуальность работы. В объемных полупроводниках влияние экситонов Ванье-Мотта на оптические свойства проявляется обычно только вблизи края зоны поглощения, а при комнатных температурах из-за малой энергии связи эти экситоны термически распадаются. В то же время в полупроводниковых квантовых нитях, структурах, в которых экситоны и электроны могут свободно двигаться только в одном направлении, экситонные переходы начинают доминировать в спектрах поглощения и люминесценции. В квантовых нитях, вследствие ограничения движения, уменьшается среднее расстояние между электроном и дыркой, что приводит к увеличению энергии их кулоновского взаимодействия и, значит, энергии связи экситонов. В типичных полупроводниковых квантовых нитях размерное квантование может приводить к увеличению энергии связи экситона в несколько раз (до 20-30 мэВ) ло сравнению с соответствующим объемным полупроводником. Энергию связи экситона можно значительно увеличить, если заменить барьерный полупроводниковый материал квантовой нити на изолятор с wfaaofi диэлектрической проницаемостью. В такой системе "диэлектрическое усиление" экситонов связано с концентрацией кулоновской энергии взаимодействия электрона и дырки в диэлектрике (силовые линии электрического поля, соединяющие электрон и дырку, частично, а для тонких нитей - в основном, проходят через диэлектрик). Аналогичными причинами определяется существенная зависимость положения экситонных уровней в полупроводниковых квантовых точках (структурах, в которых движение носителей ограничено по всем возможным направлениям) от значения диэлектрической константы окружающей среды. Таким образом, изучение полупроводниковых наноструктур, окруженных диэлектриком (ниже структуры данного типа будут обозначаться - наноструктуры "полупроводник - диэлектрик"), привлекательно не только из-за особенностей электронных и экситонных свойств, но и из-за перспективности их использования в электронике и оптоэлектронике: подбирая материал полупроводниковой наноструктуры и окружающего ее барьера, возможно в широких пределах менять положение' экситонных уровней в наноструктурах - осуществлять "инженерию кулоновского взаимодействия".
Цель работы заключалась в исследовании линейных и нелинейных оптических свойств наноструктур полупроводник (InP) - диэлектрик, а также в изучении механизмов излучательной рекомбинации пористого Si, который представляет из себя набор окруженных диэлектрической средой наноструктур Si.
Значительные трудности в деле исследования процессов рекомбинации экситонов и внутризоннои релаксации носителей в полупроводниковых наноструктурах создают короткие.' времена протекания первых (~ 10'9 -і- 10'" с) и очень короткие, лежащие в субпикосекундном масштабе, времена протекания вторых. Кроме того, изучение свойств, экситонной рекомбинации осложнено существенным влиянием, которое оказывает на оптические свойства наноструктур их сильнЬ развитая поверхность. В частности, люминесценция, обусловленная переходами между поверхностными состояниями или свечением образовавшихся на поверхности химических соединений полупроводника, и люминесценция, определяемая излучательной рекомбинацией экситонов, может лежать.в близких или даже перекрывающихся спектральных диапазонах. В свете вышесказанного, для изучения оптических свойств наноструктурур полупроводник - диэлектрик в настоящей работе, во-первых, применялись ультракороткие импульсы света для возбуждения люминесценции и, во-вторых, использовались как спектральные, так и временные, в том числе с пикосекундным временным разрешением, методы ее исследования. В случае пористого Si, для того, чтобы разделить люминесценцию, определяемую излучательной рекомбинацией экситонов в наноструктурах Si и свечением поверхности пористого Si, были проведены исследования с пикосекундным временным разрешением развернутых во времени спектров люминесценции образцов, а также исследование кинетики их люминесценции в различных временных диапазонах: от субнаносекундного до микросекундного.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1) впервые были проведены исследования оптических свойств экситонов в квантовых нитях полупроводник (InP) - диэлектрик (хризотил асбест), в том числе при высокой плотности экситонов; 2) впервые были проведены исследования спектральных и временных характеристик люминесценции пористого InP, на примере наноструктур которого было обнаружено, что время нарастания сигнала люминесценции полупроводниковых наноструктур существенно зависит от концентрации возбужденных носителей; 3) впервые удалось в составе широкой линии люминесценции пористого Si разделить линии, обусловленные, по-видимому, рекомбинацией экситонов в наноструктурах Si и рекомбинацией носителей с -состояний, определяемых поверхностью пористого Si и/или атомами химических соединений Si.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней получен ряд новых результатов, важных для понимания процессов экситонной рекомбинации в наноструктурах полупроводник - диэлектрик, а также влияния процессов внутризоннои релаксации носителей при их высокой плотности на оптические свойства полупроводниковых
наноструктур. Данные исследования приобретают дополнительное "значение в свете широкого применения полупроводниковых наноструктур-в приборах оптоэлектроники (активные среды лазеров, быстродействующие переключатели и т.д.). На защиту выносятся следующие положения:
-
Особенности поглощения и люминесценции InP, кристаллизованного в наноканалах хризотил асбеста, можно объяснить в терминах окситонной рекомбинации в квантовых нитях полупроводник (InP) - диэлектрик (хризотил асбест). Энергия связи экситонов в этих квантовых нитях существенно превосходит энергию связи экситонов в объемном InP и составляет около 200 мэВ.
-
Особенности люминесценции пористого п-1пР можно объяснить излучательной рекомбинацией экситонов в наноструктурах полупроводник (InP) - диэлектрик (воздух).
-
На свойства рекомбинации экситонов при их высокой плотности в наноструктурах полупроводник (InP) - диэлектрик существенное влияние оказывают нелинейные процессы, которые приводят к значительному уменьшению времени жизни экситонов и могут приводить как к замедлению роста интенсивности люминесценции, так и к более быстрому, чем линейный, закону ее роста.
-
Время нарастания люминесценции в наноструктурах полупроводник (InP) - диэлектрик зависит от концентрации возбужденных носителей и существенно увеличивается в случае их высокой концентрации. Это можно объяснить эффектом замедления внутризонной релаксации носителей высокой плотности в полупроводниковых наноструктурах, в основе которого лежат, по-видимому, эффекты насыщения фононных мод, перепоглощения фононов горячими электронами и экранирования электрон-фононного взаимодействия электронной плазмой' высокой плотности.
-
Обычно наблюдаемая в видимом спектральном диапазоне полоса люминесценции приготовленного стандартным методом пористого p-Si состоит из двух полос: высокоэнергичной, затухающей со временем менее 0,5 не, которая, по-видимому, определяется прямой излучательной рекомбинацией экситонов в наноструктурах полупроводник (Si) -диэлектрик (воздух) и низкоэнергичной медленной (микросекундного диапазона), которая, по-видимому, связана с переходами возбужденных носителей между поверхностными состояниями пористого /?-Si и/или свечением образовавшихся на поверхности химических соединений Si. Затухание медленной низкоэнергичной полосы существенно зависит от интенсивности возбуждения образца. Люминесценция пористого и-Si затухает с характерным временем 2,4 не, что свидетельствует, что она
определяется прямой излучательной рекомбинацией экситонов в наноструктурах полупроводник (Si) - диэлектрик (воздух).
Апробация, работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры физики полупроводников Физического факультета МГУ;, Ломоносовских чтениях (Москва, МГУ, 2000), международных симпозиумах по физике и технологии наноструктур (С.-Петербург, 1997, 2000); International Conference on Laser Surface Processing, (Limoges, France, 3 997); IV Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999); Sixth Internationa] Conference on the Optics of Excitons in Confined System (Ascona, Switzerland, 1999), Sixth International Workshop on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors (Marburg, Germany, 2000), International Conference on Porous Semiconductors - Science and Technology (Madrid, Spain, 2000); 25to International Conference on the Physics of Semiconductors (Osaka, Japan, 2000).
Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 91 наименования. Общий объем работы - 118 страниц машинописного текста, включая 32 рисунка.
