Поляризационные эффекты в полупроводниках А2И6 и А4В6 Прошина, Ольга Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы

Новым объектом полупроводниковой микроэлектроники являются наноструктуры на основе материалов с высокой степенью ионности. Важнейшее свойство ионных кристаллов - это возникновение поляризации кристаллической решетки под действием электрона, перемещающегося в кристалле. Слабое взаимодействие электрона с решеткой приводит к возникновению малых поправок к энергии и эффективной массе электрона. При сильном взаимодействии электрона с поляризацией кристаллический решетки может возникнуть автолокализованное состояние електрона в решетке, называемое поляроном. Поляре. - это квазичастица, соответствующая связанному состоянию электрона в поляризационной потенциальной яме. Представляет интерес исследовать, как поляронная локализация сочетается с квантово-механической локализацией электрона в искусственно создашшх полупроводниковых наноструктурах. В настоящей диссертации построена теория локализации полярона в полупроводниковых наноструктурах.

В квантовых наноструктурах движение электрона ограничено в пространстве и может рассматриваться как двумерное (2d) в квантовой яме, одномерное (Id) в квантовой проволоке и нуль-мерное (Od) в квантовой точке. Задача о поляроне в структурах с разной размерностью изучалась теоретически (1,2] и было показано, что энергия основного состояния существенным образом зависит от эффективной размерности пространства. Также было установлено, что с понижением размерности пространства энергия связи элект]юиа в поляризационной яме увеличивается.

При исследовании оптических явлений в наноструктурах проявляется не только основное состояние электрона, но и возбужденные состояния, обусловленные' размерным квантованием в соответствующих наноструктурах. Разным уровням размерного квантования соответствуют ра_ пгчные поляризационные состоянии окружающей решетгч. Это приводит к существенному отличию иселедопатшьт.х в работе спектров оптических электронных переходов от оптических (ТНЬТріЧЇ наноструктур на основе материалов с. низкой степенью ценности. Хчраыч ..«', мх изменений схож с явлениями п глубоких при: 1CCHUX Ц«Т1Г]К|Х.

Из теории глубоких примесных центров известно, что поляризация окружающей среды приводит к усложнению оптических електронних спектров [3], а именно, к появлению фононных повторений линии оптического электронного перехода. По интенсивности линий можно делать выводы об изменении поляризации кристаллической решетки при электронном переходе, а таїже о величине и. симметрии электрон-фононного взаимодействия. Наиболее примечательным свойством таких спектров является возможность изменения соотношений интенсив-ностей основного электронного перехода и его фононных повторений. Подбирая соответствующие размеры квантовые наноструктур, можно обеспечить возгорание линии фононных повторений заданной частоты.

Поляризация среды в ионном кристалле может быть ответственна не только за возникновение поляронного состояния, но и за перестройку основного состояния кристалла. Многие материалы с высокой степенью ионности являются сегнетоелектриками, и хорошо известно, что основному состоянию часто соответствует доменная структура, причем соседние домены различаются направлением вектора поляризации. Теория сегнетоэлектрических доменов, учитывающая поляризационные свойства среды, была построена Гинзбургом и Ландау [4]. Однако в таких материалах изменение поляризации может сопровождаться возникновением полей упругих напряжений. Если фазовый переход произошел в ограниченной части образца то учет этих полей также необходим для определения равновесной доменной структуры.

Теория чисто упругих доменов была построена Ройтбурдом [о], Сурисом [6] и Хачатуряном 17]. В диссертации показано, что совместный учет поляризационных и деформационных аффектов приводит к самопроизвольному возникновению в процессе фазового перехода определенным образом ориентированных доменов, отличающихся как направлением поляризации, так и характером упругой деформации. На примере сегнетоэлектрического (СЭ) перехода с изменением симметрии решетки из кубической в тетрагональную доказано, что совместное рассмотрение упругих и поляризационных сил приводит к возникновению доменов четырех сортов в отличие от до:.!еноз двул сортов в (4].Рассчиіакл оптимальная форма и ориентация включения СЭ фазы з параэлектрической (ПЭ) матрице, а также доменов внутри включения. Найден период такой структуры.

Таким образом, настоящая диссертация посвящена теории поляризационных

свойств наноструктур на о«-дове материалов с высокой степенью ионности (Л²У\ А^ЛВ⁷) и теории самопроизвольного возникновения периодической системы доменов, обусловленной поляризационными и упругими свойствами среды (Л⁴В").

Актуальность настоящей работы определяется тем, что в ней проведено теоретическое исследование роли поляризационных эффектов в перспективных полупроводниковых структурах на основе материалов с высокой степенью ионности. -Рассмотрено влияние поляризации кристаллической решетки на электронные состояния в наноструктурах и на формирование самопроизвольно возникающих доменных структур. Теоретически изучены поляронные состояния в квантовых наноструктурах для параболического и непараболического (модель Кейна) электронного зонного спектра. Рассмотрена ситуация, когда радиус поляронно-го состояния больше характерных размеров наноструктуры. Установлено, что в квантовых ямах, квантовых проволоках и квантовых точках учет поляронных аффектов приводит к дополнительной локализации носителей и возникновению статических смещений положений равновесия окружающих атомов. Смещения положений равновесия колеблющихся атомов приводят к появлению фононних повторений линии оптического электронного переиода между уровнями размерного квантования уже в первом порядке теории возмущений по константе электрон-фононного взаимодействия. Показано, что учет непараболичности спектра приводит к усилению многофононных эффектов.

Выполнено теоретическое исследование совместного воздействия поляризационных и деформационных эффектов на формирование периодической системы доменов. Рассчитана оптимальная доменная структура сегнетоэлектрнческого включения, когерентно сопряженного с параелектрической матрицей в случае фазового перехода с изменением симметрии кристаллической решетки из кубической в тетрагональную. Показано, что наряду с традиционно учитываемыми поляризационными эффектами для получения равновесной доменной структуры необходим учет упругих деформаций. Установлено, что наличие различных типов одноосной тетрагональной деформаци! (вдоль осей типа [100], [010] кубической матрицы) приводит к образованию не, двух, а четырех сортов доменов, отли чающихся как поляризационными, так и упругими свойствами. Сделана оценка периода такой етруктуры.

Основная ЦОЛЬ ДИСССрхаЦИОНПо" работы заключалась о изучении

влияния поляризационных эффектов на электронную локализацию в полупроводниковых наноструктурах и на образование самопроизвольно возникающих периодических структур в материалах с сильным электрон-фононным взаимодействием.

Достижение поставленной цели включало следующие основные этапы:

1. Изучить литературу по теме диссертации.

2. Теоретически исследовать влияние поляризационных эффектов на элек
тронные состояния в квантовых наноструктурах на основе полупроводников с
высокой степенью ионности типа А² В⁶.

3. Теоретически исследовать воздействие поляронной локализации носителей
на оптические электронные спектры наноструктур.

4. Теоретически исследовать влияние поляризационных и деформационных
эффектов на самопроизвольное формирование периодической доменной структу
ры в сегнетоэлектрических материалах А⁴В^в.

Научная новиэпа и практическая ценность работы заключается в том, что учет поляризационных эффектов в материалах с высокой степенью ионности приводит:

1. К дополнительной локализации носителей и возникновению статических
смещений положений равновесия окружающих атомов. Эти смещения приводят
к появлению фононных повторений линии оптического электронного перехода ме
жду уровнями размерного квантования в наноструктурах на основе материалов
/V^іВ^в, Л¹ В⁷ уже в первом порядке по константе электрон-фононного взаимодей
ствия. Теоретическое рассмотрение, проведенное в диссертации, позволяет су
дить о величине и симметрии электрон-фононного взаимодействия. При этом
имеется врзможность перекачки интенсивности оптической электронной линии,
что позволяет изменять соотношение интенсивностей линии осноьного электрон
ного перехода и ее фононных повторений. Эффект возбуждения оптической линии
заданной частоты возможно использовать при создании полупроводниковых ла
зеров с заданными частотами излучения.

2. Теоретически установлено, что совместный учет поляризационных и дефор
мационных эффектов приводит к образованию периодических структур сегнето
электрических доменов, отличающихся по поляризационным и упругим характе
ристикам, в полупроводниках Л*Н'\ Это открывает практические ^узможности

_ .(

получения с&мопроизвольк.' возникающих доменных структур с заданными свой-ствами.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Энергия связи полярона большого радиуса в квантовых наноструктурах зависит от номера уровня размерного квантования. Адиабатическое приближение является эффективным методом решения этой задачи.

2. При параболическом законе дисперсии энергия связи полярона в квантовой яме оказывается малой по параметру отношения ширины ямы к радиусу полярона. Эта энергия возрастает в квантовой проволоке и достигает наибольпк го значения в квантовой точке.

При непара.болическом законе дисперсии электронов поляронные эффекты возрастают и оказываются существенными уже в квантовой яме.

3. Поляронные эффекты в наноструктурах приводят к появлению фононных повторений в электронных оптическлх спектрах поглощения и испускания, причем интенсвдность этих повторений имеет тот же порядок величины, что и интенсивность линии электронного оптического перехода.

4. Существование равновесной двумерно-периодической структуры включения сегнетоэлектрической фазы в матрице определяется как поляризационными, так и упругими свойствами среды. Рассмотрение выполнено для случая образования в процессе фазового перехода включения тетрагональной кристаллической симметрии

в матрице кубической симметрии. Найден период доменной структуры.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на X Феофиловском симпозиуме по спектроскопии кристаллов, Санкт Петербург, 1995; на 2 d International Conference "Physics of Low- Dimensioiijl Structures", Дубна, Московская область,1995; на XXI Съезда по спектроскопии. Звенигород. Московская область,1995; на International Semiconductor Device Research Symposium. Charlottesville, USA ,1995; на 2-ой Российской Конференции по физике гіолунро водников, Зеленогорск, 199G. Работа неоднократно докладывалась на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе.

Публикации. По теме Диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура И объем Диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Объем диссертации составляет 141 страницу текста, в том числе 29 рисунков, 1 таблица и список литературы, включающий SO наименований.