Введение к работе
Актуальность темы. Исследование низкоразмерных полупроводниковых систем важно не только для развития общих представлений в физике твердого тела, но и для создания новых полупроводниковых приборов современной электроники. Большие возможности для изучения кинетики горячих носителей в низкоразмерных структурах открываются при использовании метода поляризованной магнитооптической спектроскопии горячей фотолюминесценции (ГФЛ). Анализ поляризационных характеристик ГФЛ дает важную информацию о распределении импульсов и спинов горячих электронов, а также их импульсной и энергетической релаксации.
Современный уровень технологии низкоразмерньгх полупроводниковых гетероструктур позволяет получать наноструктуры с толщинами слоев в несколько постоянных решетки. При этом имеется возможность изменять в широких пределах состав слоев и получать структуры с заданным распределением примесей. Вследствие этого становится возможным изучение свойств фотовозбужденных носителей при плавном переходе от двумерной (изолированные квантовые ямы - КЯ) к квазитрехмерной (сверхрешетка — СР), и далее к трехмерной (объемный полупроводник) системе. Кроме этого интересным представляется исследование особенностей рассеяния горячих носителей на примесях в структурах с КЯ. Очевидно, что такие исследования позволяют оптимизировать параметры, важные для быстродействия электронных приборов.
Все вышесказанное определяет актуальность темы диссертационной работы, целью которой явилось изучение свойств фотовозбужденных горячих электронов в КЯ и СР GaAs/AlxGai_xAs.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
а) Изучено влияние формирования электронной минизоны в СР на выстра
ивание импульсов и ориентацию спинов фотовозбужденных электронов.
б) Исследован переход от двумерного характера импульсного выстраивания
и спиновой ориентации фотовозбуждешшх электронов к пределу
объемного полупроводника.
в) Исследованы процессы рассеяния горячих электронов и их динамика в
зависимости от температуры в КЯ GaAs/AlAs и-типа. Измерены время
ухода и время импульсной релаксации при рассеянии горячих электронов
на нейтральных донорах, свободных электронах и заряженных центрах.
г) Обнаружены и исследованы особенности энергетической и импульсной
релаксации горячих электронов в КЯ GaAs/AlAs «-типа вблизи перехода
между структурами I и II типа.
Научное и практическое значение работы состоит в том, что в ней получен ряд новых результатов по оптическому выстраиванию импульсов и ориентации спинов фотовозбужденных электронов при переходе от двумерной (2D - изолированные КЯ) к трехмерной (3D-объемный полупроводник) системе, а также по энергетической и импульсной релаксации горячих электронов в антимодулированных КЯ и-типа. Основные выводы отражают общие закономерности, присущие структурам с КЯ, и поэтому имеют большое значение для фундаментальной науки. Практическое значение полученных результатов обусловлено тем, что они определяют транспортные характеристики электронной системы и тем самым позволяют оптимизировать быстродействие современных приборов микроэлектроники.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Образование электронной минизоны в СР GaAs/AlxGai-xAs приводит к появлению квазитрехмерного характера движения электронов. При этом заметно изменяется функция импульсного распределения фотовозбужденных электронов, которая сильно зависит от соотношения между кинетической энергией рождающихся электронов о и энергетической шириной электронной минизоны Д. Электроны, рождающиеся с Ь < А, движутся вдоль направления СР, в то время как электроны, рождающиеся с єо > А, движутся преимущественно в плоскости ям. Особенности анизотропного импульсного распределения фотовозбужденных электронов в СР с "узкими" минизонами ярко проявляются в зависимостях линейной поляризации ГФЛ от магнитного поля в геометрии Фойхта. Изменение волнового вектора вдоль оси СР во времени в такой геометрии описывается уравнением математического маятника.
-
Переход от квазитрехмерного характера импульсного выстраивания и спиновой ориентации фотовозбужденных электронов к пределу объемного полупроводника происходит, когда ширина первой электронной минизоны сравнивается с шириной первой запрещенной зоны СР. Это условие является пределом применимости приближения сильной связи для вычисления матричных элементов межподзонных оптических переходов. Эффект спин-импульсной корреляции, характерный для объемного материала, но отсутствующий в КЯ, восстанавливается в СР с увеличением ширины их минизон.
-
В КЯ GaAs/AlAs и-типа с концентрацией ~ 10й см"2 при низких температурах основным механизмом энергетической релаксации горячих электронов наряду с испусканием полярных оптических фононов является
5 неупругое рассеяния на нейтральных донорах с их ионизацией. Эффективное сечение рассеяния быстрых электронов на нейтральных донорах приблизительно в 6 раз больше эффективного сечения при неупругом рассеянии на нейтральных акцепторах. При высоких температурах, когда доноры ионизованы, основными механизмами рассеяния наряду с электрон-фононным взаимодействием являются неупругое электрон-электронное рассеяние и упругое рассеяние на заряженных центрах." 4. В узких КЯ и-типа вблизи перехода 1-Й тип с повышением температуры происходит уход "донорных" электронов из Г-долины GaAs в X - долину AlAs. Это приводит к существенному уменьшению вероятности ухода горячих электронов из начального энергетического состояния. Основным механизмом энергетической релаксации горячих электронов при высоких температурах становится рассеяние с испусканием полярных оптических фононов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены: на Международном симпозиуме "Наноструктуры: Физика и технология" (С. Петербург 1996); на 23-ей Международной конференции по физике полупроводников (Берлин, Германия, 1996); Международной школе по физике полупроводниковых материалов (Яжовиц, Польша, 1996); на 10-ой Международной конференции по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (Берлин, Германия, 1997); на 24-ой Международной конференіщи по физике полупроводников (Иерусалим, Израиль, 1998), на Городских научных конференциях студентов и аспирантов по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике (С. Петербург, 1997, 1998), на Международном семинаре по оптоэлектронике (С. Петербург, Россия, 1998);
Публикации Основное содержание диссертации опубликовано в 6 научных статьях, перечень которых приведен в конце диссертации [А1-А6].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 57 наименований. Работа содержит 103 страницы, включая 24 рисунка.
