Рекомбинация и спиновая релаксация экситонов в полупроводниковых гетероструктурах первого рода с непрямой запрещенной зоной

Развитие эпитаксиальных технологий роста привело к созданию полупроводниковых гетероструктур: квантовых ям (КЯ), сверхрешеток (СР), квантовых проволок (КП) и квантовых точек (КТ) — объектов с новыми, не существующими в природе электронными и оптическими свойствами. Использование этих объектов не только открыло широкие возможности для создания новых полупроводниковых приборов, но и позволило проводить исследования многочисленных физических явлений фундаментального характера, поскольку процессы энергетической, спиновой релаксации и рекомбинации электронных возбуждений происходят в низкоразмерных полупроводниковых гетероструктурах иначе, чем в объёмных полупроводниках [1−4].

Причины изменения поведения электронных возбуждений в гетероструктурах можно разделить на: (1) общие для всех полупроводниковых гетероструктур одинаковой размерности (например, появление дискретного спектра энергетических уровней электронов и дырок в КТ, радикально изменяющего процесс энергетической релаксации носителей заряда, из-за ограничений на неупругое рассеяние, которые отсутствуют в структурах более высокой размерности [3,4]) и (2) связанные с особенностями формирования энергетического спектра, реализующегося в конкретном типе полупроводниковых гетероструктур любой размерности (например, пространственное разделение электронов и дырок между различными слоями в КЯ, СР, КП и КТ второго рода [2]). Управление энергетическим спектром осуществляется выбором составляющих гетероструктуру полупроводниковых материалов с разным взаимным расположением краев зон и размерным квантованием носителей заряда, т. е. выбором толщины слоев для КЯ и СР, размера и формы для КТ.

Огромное число работ было посвящено изучению: (1) полупроводниковых гетероструктур второго рода, в которых электроны и дырки разделяются в реальном пространстве между слоями различных полупроводников с состоянием дырки в Г минимуме валентной зоны и основные состоянием электрона, принадлежащим: (а) X или L минимуму зоны проводимости (таких как, например, CP GaAs/AlAs [2,5], КТ Ge/Si [4,5]), или (б) Г минимуму зоны проводимости (например, КЯ GaAs/GaSb [6,7] и InSb/InAs [8]) — (2) прямозонных полупроводниковых гетероструктур первого рода, в которых оба носителя заряда (и электрон, и дырка) локализованы в одном из составляющих структуру полупроводников с основным состоянием электрона, принадлежащим Г минимуму зоны проводимости (например, КЯ GaAs/AlGaAs [2] и КТ InAs/GaAs [2,4]).

К моменту начала исследования практически отсутствовали работы, посвященные получению и изучению еще одного возможного класса полупроводниковых гетероструктур: первого рода с непрямой запрещенной зоной и изучению поведения электронных возбуждений в таких объектах. До последнего времени свойства низкоразмерных структур первого рода, построенных на основе непрямозонных полупроводников, главным образом, нанокристаллов Ge и Si, изучались только в аморфных диэлектрических матрицах (таких как, например, Si02 или Si3N4 [9,10]), с высокой концентрацией дефектов решетки, сильно взаимодействующих с электронными возбуждениями в полупроводниковых нанокристаллах. Настоящая диссертационная работа восполняет этот пробел.

Полупроводниковые гетероструктуры первого рода с непрямой запрещенной зоной могут быть удобными объектами для анализа физических процессов, изучение которых в других типах полупроводниковых гетероструктур затруднено. Характерным примером такого процесса является спиновая релаксация экситонов в КТ. В теоретических работах [11,12] было показано, что сильная локализация в КТ приводит к подавлению механизмов, определяющих переворот спина свободно двигающихся электронных возбуждений (электронов, дырок и экситонов), таких как механизмы Эллиота-Яфета и Дьяконова-Переля. Согласно расчетам, характерные времена спиновой релаксации носителей заряда и экситонов в КТ при низких температурах и в слабых магнитных полях лежат в миллисекундном диапазоне времен [11]. При изучении времен спиновой релаксации экситонов необходимо учитывать тот факт, что время жизни экситона в КТ ограничено, временем его рекомбинации. В хорошо изученных прямозонных полупроводниковых КТ первого рода характерные времена рекомбинации экситона лежат в наносекундном диапазоне [2]. Подавление основных механизмов спиновой релаксации приводит к тому, что время жизни спиновых состояний экситонов в прямозонных КТ становится на несколько порядков величины больше, чем время жизни экситона [13,14].

Для экспериментального изучения спиновой релаксации экситонов в КТ требуются полупроводниковые гетероструктуры, обеспечивающие время жизни экситона, сравнимое со временем жизни его спинового состояния.

В полупроводниковых КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной разность квазиимпульсов электрона и дырки, существенно превышает величину импульса фотона, испускаемого при рекомбинации экситона построенного из этих носителей заряда. Закон сохранения квазиимпульса накладывает ограничения на рекомбинацию экситонов в таких КТ, увеличивая времена их жизни до значений, сравнимых с теоретически рассчитанными временами спиновой релаксации. Таким образом, непрямозонные КТ первого рода являются перспективным объектом для экспериментального изучения процессов спиновой релаксации экситонов в нульмерных системах.

Цель работы заключалась в определении фундаментальных закономерностей рекомбинации и спиновой релаксации экситонов в новом классе полупроводниковых гетероструктур — КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной.

Для достижения цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1) Обосновать существование гетероструктур первого рода с непрямой запрещенной зоной.

2) Синтезировать КТ и КЯ первого рода с непрямой запрещенной зоной. Научиться управлять атомной структурой и, соответственно, энергетическим спектром электронных возбуждений гетероструктур с КЯ и КТ в процессе роста и послеростовых обработок.

3) Экспериментально исследовать закономерности некогерентной динамики энергетической релаксации и рекомбинации электронных возбуждений в КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной.

4) Экспериментально исследовать закономерности спиновой релаксации экситонов в КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной. Определить доминирующие механизмы спиновой релаксации.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являются полупроводниковые гетероструктуры, построенные на основе бинарных соединений А3-В5. Структуры с квантовыми ямами и квантовыми точками в гетеросистемах 1пАз/А1Аз, СаЗЬ/А1Аз, СаАз/СаР и СаБЬ/СаР, выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Для анализа атомной структуры КЯ и КТ применялись (1) метод дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО), позволяющий отслеживать изменения структуры в процессе роста, и (2) методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и комбинационного рассеяния света (КРС), дающие информацию об уже выращенных структурах. Энергетический спектр ВСЯ и КТ, процессы захвата носителей заряда в КЯ и КТ, рекомбинация и спиновая релаксация экситонов в КТ исследовались методами стационарной и нестационарной фото-(ФЛ) и магнитофотолюминесценции. g — факторы локализованных в КТ электронов, дырок и экситонов определялись методом резонансного комбинационного рассеяния света с переворотом спина (РКРС).

Научная новизна работы. Все основные экспериментальные и расчетные результаты диссертационной работы получены впервые. Научная новизна конкретных результатов состоит в следующем:

1. Проведены систематические теоретические расчеты энергетического спектра псевдоморфно напряженных КЯ, построенных на основе бинарных арсенидов, фосфидов и антимонидов А3-В5. Показано, что формирования непрямозонных КЯ первого рода можно ожидать в гетеросистемах на основе полупроводниковых соединений А3-В5 таких как 1пАз/СаР, 1пАэ/А1Р, 1пАз/А1Аб, 1пЗЬ/А13Ь, 1пБЬ/СаР, 1пЗЬ/А1Р, 1пЗЬ/А1Аз, СаЗЬ/СаР, СаЗЬ/А1Р, СаЗЬ/А1Аз, А13Ь/А1Аз;

2. Экспериментально обосновано существование нового класса гетероструктур с не изучавшемся ранее типом энергетического спектра — КТ и КЯ первого рода с непрямой запрещенной зоной. Установлены условия синтеза непрямозонных гетероструктур первого рода с основным электронным состоянием, принадлежащим: X (для псевдоморфно напряженных гетероструктур 1пАз/А1Аз.

СаЗЬ/А1АБ) и Ь (для гетероструктур СаАэ/СаР и СаБЬ/СаР с полной релаксацией механических напряжений) минимумам зоны проводимости. Экспериментально установлено, что полная релаксация механических напряжений в КТ 6аАз/СаР и СаБЬ/СаР обусловлена введением в плоскость гетерограницы КТ/матрица сетки ломеровских дислокаций несоответствия. Показано, что введение ломеровских дислокаций не приводит к появлению в КТ центров безызлучательной рекомбинации.

3. Показано, что вероятность излучательной рекомбинации экситонов, идущей в КТ с непрямой запрещенной зоной за счет упругого рассеяния разницы между квазиимпульсом экситона и импульсом фотона на гетерогранице КТ/матрица, определяется гладкостью локализующего экситон потенциала. Гладкость потенциала задается толщиной слоя твердого раствора переменного состава, формирующегося на гетерогранице КТ/матрица. Получены прямые экспериментальные доказательства, того, что время излучательной рекомбинации экситона может управляемо изменяется от нескольких десятков наносекунд в КТ 1пА1Аз/А1Аэ с резкой гетерограницей КТ/матрица (образующейся в процессе самоорганизации КТ) до десятков микросекунд в КТ с гетерограницей КТ/матрица, «размытой» в процессе высокотемпературного послеростового отжига.

4. Прямым оптическим методом — комбинационным рассеянием света с переворотом спина определены компоненты тензора g факторов тяжелой дырки, электрона и экситона в непрямозонных КТ 1пА1Аз/А1Аз первого рода с Г — X смешиванием электронных состояний.

5. Изучена спиновая релаксация экситонов, локализованных в (1п, А1) Аб/А1Аз КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной. Определены зависимости времени спиновой релаксации Тх от магнитного поля (Тх ~ В~5) и температуры (Тх ~ Г-1). Получены прямые экспериментальные доказательства микросекундных времен жизни спиновой поляризации экситонов в КТ. Установлено, что доминирующим механизмом спиновой релаксации локализованных в КТ экситонов является спин-решеточная релаксация с участием одного акустического фонона.

Основная научная значимость работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей. Научные выводы носят общий характер, не ограничиваются объектами, непосредственно исследованными в работе, а относятся к целому классу полупроводниковых гетероструктур — КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) Разработан метод управления вероятностью излучательной рекомбинации экситона Ге в КТ с непрямой запрещенной зоной. Изменение вероятности рекомбинации экситона достигается за счет изменения толщины слоя твёрдого раствора переменного состава, формирующегося на гетерогранице КТ/матрица в процессе кратковременного высокотемпературного послеростового отжига. Для КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной, сформированных в гетеросистеме А1Аз/А1Аб изменение температуры одноминутного отжига в диапазоне 700 — 900 °C позволяет варьировать время жизни экситона (т = 1/Ге) от десятков наносекунд до десятков микросекунд.

2) Разработан метод определения времени спиновой релаксации экситона т3 в ансамблях экситонов с дисперсией времен жизни ах). Время т3 находится путем подгонки экспериментально измеренной динамики циркулярной поляризации ФЛ ансамбля экситонов расчетной зависимостью, полученной посредством свёртки распределения времен жизни экситонов — 6(1) с функцией рсЦ, т, т1) =——-, которая определяется динамикои заселенности состояний экситона с различными проекциями спина лир и А}от •.

3) Проведенные исследования закладывают основу для разработки новых устройств спиновой электроники — элементов памяти на основе экситонных состояний в КТ.

В результате проведенных исследований развито новое научное направление — физика экситонных состояний в полупроводниковых гетероструктурах первого рода с непрямой запрещенной зоной.

Достоверность и надежность результатов обеспечивается тщательной проработкой инженерно-технического обеспечения экспериментов, проведением тестовых измерений, проверкой экспериментов на воспроизводимость, сопоставлением с результатами других авторов. Результаты исследований опубликованы в авторитетных реферируемых журналах и докладывались на различных семинарах, конференциях и симпозиумах. Некоторые ключевые результаты были воспроизведены в зарубежных лабораториях.

На завдсту выносятся следующее научные положения:

1. Новый тип полупроводниковых гетероструктур — КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной формируется на основе бинарных полупроводниковых соединений А3-В5: 1пАз/А1Аз, СаЭЬ/МАз, СаБЬ/СаР, СаАз/СаР.

2. Излучательная рекомбинация экситонов, локализованных в самоорганизованных КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной, идет без испускания фонона за счет упругого рассеяния разницы между квазиимпульсом экситона и импульсом фотона на гетерогранице КТ/матрица. Время излучательной рекомбинации (от десятков наносекунд до десятков микросекунд) определяется гладкостью локализующего экситон потенциала, зависящей от толщины слоя твердого раствора переменного состава на гетерогранице КТ/матрица.

3. Чувствительность темпа рекомбинации экситонов в плотных (>10и см-2) массивах КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной, к появлению локализованных в отдельных КТ (<5% от общего количества КГ в ансамбле) дефектов — центров безызлучательной рекомбинации — обусловлена высокой вероятностью переноса долгоживущих экситонов между смежными КТ по диполь-диполь ному механизму Фёрстера.

4. Смешивание состояний электронов, принадлежащих Г и X долинам зоны проводимости в КТ первого рода, позволяет использовать резонансный оптический метод — комбинационное рассеяние света с переворотом спина — для определения g факторов электрона, находящегося в X долине зоны проводимости и экситона, составленного из такого электрона и тяжелой дырки.

5. В про дол ь ных магнитных полях 3−10 Тл при температурах < 30 К доминирующим механизмом спиновой релаксации локализованных в (In, Al) As/AlAs КТ нейтральных и отрицательно заряженных экситонов является спин-решеточная релаксация с испусканием/поглощением одного акустического фонона.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на: 11,12,13,15,16,17,18,19,20 Международных симпозиумах «Nanostructures: physics and Technology», (С.Петербург-2003, 2004, 2005, Новосибирск-2007, Владивосток 2008, Минск-2009, С. Петербург-2010, Екатеринбург-2011, Нижний-Новгород-2012) — Международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (Томск, 2003) — Совещаниях НАНОФОТОНИКА-2003, 2004, (Нижний Новгород, 2003, 2004) — 11th International Conference on Narrow Gap Semiconductors, (Buffalo, USA, 2003) — Конференции Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-9) (Кемерово, 2004) — 8th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS 2004 (Tomsk, Russia, 2004) — 27,29,30,31 International Conferences on the Physics of Semiconductors (USA — 2004, Brazil-2008, S. Korea-2010, Zurich-2012) — 9,10,11,12,13 Международных школах-семинарах по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2004, ЛЛФ-2006, ЛЛФ-2008, ЛЛФ-2010, ЛЛФ-2012 (Иркутск — 2004,2006,2008,2010,2012) — The International Symposium on Quantum Dots and Photonic Crystals (Japan — 2005) — VII, VIII, IX, X Российских конференциях по физике полупроводников, (Москва 2005, Екатеринбург 2007, Новосибирск-Томск 2009, Нижний Новгород 2011) — IV и V Республиканских конференциях по Физической электронике. (Ташкент, Узбекистан, 2005,2009) — 4,5,6,7 International Conference on Semiconductor Quantum Dots (France.

2006, Korea-2008, UK-2010, USA-2012) — Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника"-2006, 2010, 2011, 2012 (Нижний Новгород — 2006, 2010, 2011,2012) — 10,12 International Conference on the Optics of Excitons in Confined Systems. (Italy.

2007, France 2011) — Workshop «Trends in nanomechanics and nanoengineering» (Krasnoyarsk-2009) — Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials (Vladivostok 2011), а также обсуждались на семинарах в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликована глава в книге и 42 печатных работы в научных журналах и трудах конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка работ автора из 43 наименований и списка цитированной литературы из 265 наименований. Объем диссертации 329 страниц, включая 84 рисунка и 4 таблицы.

278 Заключение.

В результате проведенных в работе исследований продемонстрировано существование нового класса полупроводниковых гетероструктур — КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной. В этом новом классе низкоразмерных объектов изучена некогерентная динамика электронных возбуждений и определены фундаментальные закономерности спиновой релаксации и рекомбинации экситонов.

По совокупности полученных в работе результатов и сделанных на их основе выводов развито новое научное направление — физика экситонных состояний в полупроводниковых гетероструктурах первого рода с непрямой запрещенной зоной.