Введение к работе
Актуальность темы исследования
Результаты, представленные в диссертационной работе, относятся к физике полупроводников и к электронике низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур и охватывают круг вопросов, связанных с энергетическими спектрами мелких примесей в полупроводниках и низкоразмерных полупроводниковых структурах, их оптическими свойствами, с физическими основами детекторов и генераторов излучения дальнего ИК диапазона, работающих на переходах между примесными уровнями.
Полупроводниковые гетероструктуры с мелкими примесями представляют значительный интерес для оптоэлектроники, в частности, для создания детекторов дальнего инфракрасного диапазона длин волн, работающих на переходах между примесными центрами в гетероструктурах. В таких структурах имеется возможность перестраивать энергетический спектр примесного центра, варьируя параметры структур, и изменять, тем самым полосу чувствительности приемника. К настоящему времени наиболее изученными являются донорные примесей в полупроводниковых гетероструктурах. Что же касается акцепторов, изучению которых посвящена настоящая диссертационная работа, то известно лишь небольшое количество теоретических работ (посвященных главным образом ненапряженной гетеросистеме GaAs/AIGaAs), в которых их энергетические спектры рассчитывались различными вариационными методами. В последнее время особый интерес к мелким акцепторам в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах, в частности, к их резонансным состояниям, связан с обнаружением стимулированного длинноволнового ИК излучения в одноосно сжатом p-Ge и в напряженных гетероструктурах Si/SiGe:B в сильных электрических полях. Наблюдаемое стимулированное излучение связывается с переходами дырок с инверсно заселенных резонансных состояний на локализованные акцепторные состояния в запрещенной зоне.
Целью диссертационной работы является развитие моделей и метода расчета локализованных и квазистационарных (резонансных) состояний мелких акцепторов в напряженных полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами и одноосно деформированном Ge, интерпретация наблюдаемых спектров примесной проводимости.
Это включает в себя решение следующих основных задач:
С.Петербург
09 Ш$>
І
-
развитие численного метода расчета спектра акцептора в напряженных полупроводниковых гетеростуктурах с квантовыми ямами и деформированном алмазоподобном полупроводнике;
-
расчет энергий, волновых функций и времен жизни квазистационарных состояний мелких акцкепторов в гетероструктурах Ge/GeSi и InGaAs/GaAs с различными параметрами и одноосно сжатом Ge;
-
вычисление матричных элементов переходов с основного уровня акцептора на локализованные и резонансные уровни и в состояния непрерывного спектра; расчет фотопроводимости гетероструктур с квантовыми ямами и деформированного Ge для интерпретации наблюдаемых в этих материалах спектральных особенностей.
Научная новизна работы
-
Развит и впервые последовательно реализован (применительно к гетероструктурам Ge/GeSi, Si/SiGe, InGaAs/GaAs) предложенный в работе [1] численный метод расчета спектра мелких акцепторов в гетероструктурах с квантовыми ямами, основанный на разложении акцепторной волновой функции по базису из волновых функций свободных дырок в квантовых ямах.
-
Впервые изучена зависимость спектров мелких акцепторов в гетероструктурах Ge/GeSi и Si/SiGe от параметров структур (ширины квантовой ямы, состава твердого раствора, деформации слоев) и от положения примесного иона;
-
Впервые проведены расчеты химического сдвига энергии связи акцепторов в гетероструктурах Si/SiGe для различного положения иона примеси в структуре;
-
Впервые рассчитаны спектры примесной фотопроводимости в гетероструктурах Ge/GeSi, InGaAs/GaAs с учетом оптических переходов на резонансные состояния акцепторов, связанные с верхними подзонами размерного квантования;
-
Развитый численный метод расчета состояний акцепторов обобщен на случай объемного полупроводника, что позволило провести исследование резонансных состояний мелких акцепторов и впервые рассчитать спектр фотопроводимости с учетом переходов на резонансные состояния и в верхнюю отщепленную подзону в одноосно деформированном германии.
Научная и практическая значимость работы заключается в детальном исследовании акцепторов в напряженных полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами. Развитый в диссертации метод расчета состояний мелких примесей и полученные результаты могут быть
использованы для создания генераторов и детекторов излучения дальнего инфракрасного диапазона.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Энергия ионизации мелких акцепторов в напряженных гетероструктурах Ge/GeSi и Si/SiGe с квантовыми ямами из-за эффектов размерного квантования и встроенной деформации оказывается меньше энергии связи в объемных Ge и Si, соответственно. Энергия связи акцепторов существенно убывает при смещении иона примеси из центра квантовой ямы к гетерогращще (для квантовых ям, ширина которых превышает масштаб > локализации волновой функции основного состояния) и остается конечной при перемещении иона примеси в квантовый барьер.
-
Химический сдвиг для основного состояния мелких акцепторов в гетероструктурах Si/SiGe максимален при расположении примесного иона в центре квантовой ямы и оказывается незначительным для примеси на гетероинтерфейсе.
-
В спектрах поглощения и фотопроводимости гетероструктур Ge/GeSi и InGaAs/GaAs наблюдаются оптические переходы с основного состояния мелких акцепторов на квазистационарные состояния, связанные с верхними подзонами размерного квантования.
-
Нижнее квазистационарное состояние мелкого акцептора в одноосно сжатом германии происходит из возбужденного состояния 4Г8+ с энергией связи 1.3 мэВ (в отсутствие деформации), а не из основного состояния 1Г8+, как полагалось ранее. Верхнее отщепившееся от основного уровня состояние не испытывает антипересечений и не выходит в непрерывный спектр с ростом деформации. Нижнее квазистационарное состояние выходит в непрерывный спектр при давлении Р = 0.4 кбар для сжатия вдоль оси [001] и при Р = 0.6 кбар
для сжатия вдоль оси [Ш].
5. В спектре длинноволновой ИК фотопроводимости одноосно сжатого
германия при низких температурах наблюдается коротковолновая
полоса, связанная с переходами с основного состояния акцепторов в
верхнюю дырочную подзону, отщепленную давлением, интенсивность
которой на порядок меньше интенсивности полосы, связанной с
переходами в нижнюю подзону. Интенсивность переходов в связанные
с верхней подзоной квазистационарные состояния, акцепторов
примерно в три раза меньше интенсивности переходов в непрерывный
спектр верхней подзоны.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертации докладывались на III - V Российских конференциях по физике полупроводников (Москва, 1997; Новосибирск, 1999; Н.Новгород, 2001), 6-ом, 8-ом и 10-ом Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (С.Петербург, 1998, 2000, 2002), 24-ой и 25-ой Международных конференциях по физике полупроводников (Иерусалим, 1998; Осака, 2000), 8-ой и 10-ой Международных конференциях по мелким центрам в полупроводниках (Монпелье, 1998; Варшава, 2002), 9-ой и 10-ой Международных конференциях по модулированным полупроводниковым структурам (Фукуока, 1999; Линц, 2001), 26-ой Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Тулуза, 2001), Совещаниях "Нанофотоника" (Н.Новгород, 1999 - 2002), Совещании "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Н.Новгород, 1998), Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, (С.Петербург, 1999), а также на семинарах ИФМ РАН.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ [А1-А35], в том числе 10 статей в научных журналах и 25 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций, симпозиумов и совещаний.
Личный вклад автора в получение результатов
Все представленные в диссертации научные результаты получены соискателем лично. В совместных работах диссертант принимал участие в постановке задач, разработке методов расчетов, создании компьютерных программ для численных расчетов, проведении расчетов и сопоставлении полученных результатов с экспериментальными данными. В работах [2, 3, 5-11, 13, 17, 18, 20, 22-35] соискателем были рассчитаны спектры мелких акцепторов в гетероструктурах Ge/GeSi, InGaAs/GaAs и Si/SiGe. При исследовании примесной фотопроводимости гетероструктур Ge/GeSi [2, 5-7, 13, 31-35], InGaAs/GaAs [17, 23], деформированного Ge [4, 19, 21] и GeSi [12, 15] диссертантом проводились теоретические расчеты спектров фотоотклика этих материалов. Вклад соискателя был определяющим при исследовании спектра резонансных состояний акцепторов в деформированном германии [1, 4, 11, 14, 16, 19, 21]. В работах [1, И] диссертантом бьша сделана оценка времени жизни резонансных состояний в одноосно сжатом германии.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего в себя список цитированной литературы и список работ автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 150 страниц, включая 88 страниц основного текста (в том числе 14 таблиц), 50 рисунков, размещенных на 49 страницах, список цитированной литературы из 76 наименований и список работ автора по теме диссертации из 35 наименований.
