Свойства горячих электронов в квантовых ямах и сверхрешетках GaAs/Al x Ga1-x As

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. С практической точки зрения изучение таких систем позволяет уменьшить размеры, повысить степень интеграции и увеличить быстродействие полупроводниковых элементов микроэлектроники. С точки зрения фундаментальной науки изучение низкоразмерных систем позволяет понять основные закономерности взаимодействия квазичастиц в условиях, когда их спектр существенно модифицируется за счет эффектов размерного квантования. Для изучения этих явлений на ряду с другими методами исследования успешно используются оптические методы. 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 энергетической и импульсной релаксации.

Весьма удобным объектом для изучения фундаментальных свойств горячих электронов оптическими методами являются низкоразмерные структуры на основе полупроводниковых соединений ОаА8/А1хОа1хА8. Современный уровень технологии низкоразмерных 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 квантовыми ямами. 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 квантовых ямах и сверхрешетках ОаАб/А1хОа1 хАз.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые: а) Изучено влияние формирования электронной минизоны в СР на выстраивание импульсов и ориентацию спинов фотовозбужденных электронов. б) Исследован переход от двумерного характера импульсного выстраивания и спиновой ориентации фотовозбужденных электронов к пределу объемного полупроводника. в) Исследованы процессы рассеяния горячих электронов и их динамика в зависимости от температуры в структурах с КЯ ОаАБ/МАлз «-типа. Впервые экспериментально обнаружено уменьшение поляризации ГФЛ за счет возрастания роли упругих столкновений. Измерены время ухода из начального энергетического состояния 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 СаАз/МАя «-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 (2и — изолированные КЯ) к трехмерной (ЗБ — объемный полупроводник) системе, а также по энергетической и импульсной релаксации горячих электронов в антимодулированных КЯ «-типа. Основные выводы отражают общие закономерности, присущие структурам с КЯ, и поэтому имеют большое значение для фундаментальной науки. Кроме этого полученные результаты имеют большое практическое значение, поскольку они определяют транспортные характеристики электронной системы и тем самым позволяют оптимизировать быстродействие современных приборов микроэлектроники.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Образование электронной минизоны в СР ОаДз/АМла^хАв 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 Е и энергетической шириной электронной минизоны А. Электроны, рождающиеся с Е < А, движутся вдоль направления СР, в то время как электроны, рождающиеся с Е > 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.

2. 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.

1 1 'Л.

3. В КЯ ОаАз/АЬАз и-типа с концентрацией -10 см при низких температурах основным механизмом энергетической релаксации горячих электронов наряду с испусканием полярных оптических фононов является 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 п-типа вблизи перехода 1-П тип с повышением температуры происходит уход «донорных» электронов из Г-долины ОаАв в Х-долину А1Аб. 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 докладывались: 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 конференции 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);

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 научных статьях, перечень которых приведен в конце диссертации [А1-А6].

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 57 наименований. Общий объем работы — 103 страницы, включая 24 рисунка.

Основные выводы, полученные в данной работе приведены в конце каждой главы. Наиболее важные результаты могут быть сформулированы следующим образом.

1. Образование электронной минизоны в СР заметно изменяет поляризационные характеристики ГФЛ. Квазитрехмерный характер движения электронов в «узкозонных» СР приводит к тому, что поляризация ГФЛ сильно зависит от соотношения между кинетической энергией электронов Е и шириной электронной минизоны А. Это объясняется тем, что электроны, рождающиеся с Е < А движутся вдоль СР, в то время как электроны, рождающиеся с Е > А, движутся преимущественно в плоскости ям. Предложен оптический метод определения, А в СР.

2. Особенности сильно 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 направления СР во времени в такой геометрии описывается уравнением математического маятника.

3. Исследование поляризации ГФЛ в СР в зависимости от высоты барьеров (ширины электронных и дырочных минизон) показали: а) зависимость линейной поляризации ГФЛ от кинетической энергии фотовозбужденных электронов претерпевает существенные изменения при переходе от СР с «узкими» минизонами к «пшрокозонным» СР, становясь сходной с соответствующей зависимостью в объемном ОаАв. б) уменьшение циркулярной поляризации в продольном магнитном поле (геометрия Фарадея), которое возникает в СР с увеличением ширины их минизон, ясно свидетельствует о восстановлении эффекта спинимпульсной корреляции, характерного для объемного GaAs, но отсутствующего в структурах с изолированными КЯ. При этом поляризационные характеристики для «узкозонных» CP хорошо описываются в приближении сильной связи. Из результатов (а) и (б) следует, что переход от квазитрехмерного характера выстраивания импульсов и ориентации спинов 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.

4. Обнаружено, что в КЯ GaAs/AlAs «-типа с концентрацией доноров Nd > 1011 см» 2 при низких температурах основным механизмом энергетической релаксации горячих электронов наряду с испусканием полярных оптических фононов является неупругое рассеяние на нейтральных донорах — рассеяние. Эффективное сечение рассеяния приблизительно в 6 раз больше сечения неупругого рассеяния на нейтральных акцепторах.

5. В КЯ «-типа 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. Вероятность ухода горячих электронов из начального энергетического состояния за счет электрон-электронного рассеяния (е-е рассеяние) становится сравнимой с вероятностью ухода за счет испускания полярных оптических фононов при концентрациях электронного газа «2d «Ю11 см-2. Вероятность ухода при е-е рассеянии меньше чем при рассеянии приблизительно в 2−3 раза.

6. В КЯ GaAs/Al As «-типа вблизи перехода I — II тип с повышением температуры наблюдается сильное уменьшение вероятности рассеяния горячих электронов. При этом основным механизмом энергетической.

95 релаксации электронов становится электрон-фононное взаимодействие. Это обусловлено уходом «холодных» электронов из Г-долины ОаАв в Х-долину А1Аз при ионизации нейтральных доноров.

В заключении автор считает своим приятным долгом выразить искуренную благодарность своему научному руководителю академику РАН Борису Петровичу Захарчене, а также докторам физико-математических наук Виктору Федоровичу Сапеге и Давиду Наумовичу Мирлину за руководство и помощь в процессе выполнения данной работы. Автор также признателен за полезные обсуждения Владимиру Иделевичу Перелю, за предоставленные структуры Виктору Михайловичу Устинову, за внимание к работе Андрею Александровичу Сиренко.

Публикации по диссертации.

А1. В. Ф. Сапега, В. И. Перель, А. Ю. Добин, Д. Н. Мирлин, И. А. Акимов, Т. Руф, М. Кардона, К. Эберл, «Поляризация горячей фотолюминесценции в сверхрешетках GaAs/AlAs» // Письма в ЖЭТФ, 63(4), 285−289, (1996).

А2. V.F.Sapega, УЛ. РегеГ, A.Yu.Dobin, D.N.Mirlin, I.A.Akimov, T. Ruf, M. Cardona, K. Eberl, «Hot luminescence polarization in GaAs/AlAs superlattices» // In: Proceedings of the XXIII International Conference on the Physics of Semiconductors, edited by M. Scheffler and R. Zimmermann, Berlin (Singapoure: World Scientific) 3,1711−1714 (1996).

A3. V.F.Sapega, V.I.Perel', A.Yu.Dobin, D.N.Mirlin, I.A.Akimov, T. Ruf, M. Cardona, K. Eberl, «Study of the Two-Dimensional to Quasi-Three-Dimensional Transition in GaAs/AlAs superlattices by polarized hot photoluminescence» // Phys. Stat. Sol (b) 204,141−146 (1997).

A4. V.F.Sapega, V.I.Perel', A.Yu.Dobin, D.N.Mirlin, I. AAkimov, T. Ruf, M. Cardona, K. Eberl, «Miniband effects on hot-electron photoluminescence polarization in GaAs/AlAs superlattices» //Phys. Rev. В 56(11), 6871−6879 (1997).

A5. В. Ф. Сапега, В. И. Перель, Д. Н. Мирлин, И. А. Акимов, Т. Руф, М. Кардона, В. Винтер, К. Эберл, «Проявление эффектов размерности в горячей фотолюминесценции арсенида галлия: исследование 2D — квази-ЗО перехода» // ФТП 33(6), 738−741 (1999).

А6. И. А. Акимов, В. Ф. Сапега, Д. Н. Мирлин, Б. П. Захарченя, А. А. Сиренко, В. М. Устинов, А. Е. Жуков, А. Ю. Егоров. — Неупругое рассеяние горячих электронов на нейтральных донорах в квантовых ямах GaAs/AlAs, сильно легированных кремнием. // ФТП 33(10), 1235−1239 (1999).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.