Ширина линии экситона и его интегральное поглощение в твердых растворах AlxGa1-xAs

Системы на основе А^Оа^Аэ считаются весьма перспективными для создания полупроводниковых приборов на их основе, применения их в информационных, коммуникационных технологиях. Значительный интерес представляет возможность управления основными параметрами полупроводника путем изменения концентрации замещающей компоненты. Высокие значения подвижности носителей [31, 42, 42], отработанность технологии создания образцов высокой чистоты [32] создают условия для использования их в исследованиях и производстве. В тоже время, практически полное совпадение параметров решеток ОаАэ и А^ва^Аз (разница не превышает 0.07%) [33], является предпосылкой для создания структур с малым количеством напряжений, дефектов кристаллической решетки. Учитывая изученность технологии создания высокосовершенных ваАБ подложек можно утверждать, что указанные материалы привлекали, привлекают и будут привлекать разработчиков и технологов приборов и устройств.

На основе систем А1хСа]. хА8 могут быть построены высокоэффективные излучающие (лазеры, лазерные диоды) [43, 44], принимающие (фотодиоды) [57] и управляющие элементы, характеризующиеся высоким быстродействием [32, 31, 34], низкими значениями порогов срабатывания, стойкостью к внешним воздействиям (например, температуре, электромагнитным помехам) [59] и возможностью к высокой степени интеграции [65]. Изменяя концентрацию х становится возможным создавать приборы и устройства с широким спектром желаемых параметров, что, например, чрезвычайно актуально для излучающих устройств, фотоэлементов, СВЧ-транзисторов. Существующие приборы, например, построенные с использованием 1пР, не вполне удовлетворяют этим требованиям (ввиду, в частности, невысокого значения ширины запрещенной зоны, низкого показателя подвижности носителей) [33], другие, например 81С, сталкиваются с технологическими трудностями отсутствия подложек надлежащего качества [68].

Полупроводниковые приборы и устройства характеризуются величиной энергии, требующейся для их активации (начала генерации света, переключения транзистора). Снижение величины энергии активации зачастую обозначает прогресс в той или иной области — ускорение работы переключателей, транзисторов, повышение КПД полупроводниковых лазеров, устранение проблем теплоотвода, снижение размеров и повышении интеграции в полупроводниковых устройствах и интегральных схемах [34, 65].

Обычный полупроводниковый прибор требует воздействия с энергией порядка разницы энергий уровней электронно-дырочных переходов, что составляет от нескольких до десятков электрон-вольт [33]. Экситонные приборы способны работать при воздействии на несколько порядков меньше — единицы и десятки миллиэлектрон-вольт: такова энергия квазичастицы образованной свободным электроном и дыркой в кристалле. Поляритонные приборы требуют затрат энергии еще на порядок меньше — они должны быть сравнимы с энергией продольно-поперечного расщепления. Потребляющий на порядок меньше, чем обычный твердотельный, поляритонный источник когерентного излучения [77] уже продемонстрировал впечатляющие результаты. Прибор с реализацией экситонного транспорта также [71] открывает перспективы к созданию «экситонных транзисторов», «экситонных переключателей».

Актуальность темы

исследования состоит в том, что в то время как возможность построения приборов нового поколения использующих экситонные или поляритонные эффекты была продемонстрирована на нескольких примерах [71, 77], процедуры точного учета параметров экситон-фотонного и поляритон-фотонного взаимодействия не были продемонстрированы для таких перспективных материалов, как твердые растворы, в особенности — А1хОа1.хАз. В данной работе впервые продемонстрированы как техники достоверного определения рода и параметров экситон-фотонного взаимодействия в неупорядоченной полупроводниковой среде, так и техники корректного учета факторов, могущих остаться, незамеченными, но вносящих значительную помеху в определяемые параметры. Впервые детально описывается методика анализа данных и определения рода и параметров взаимодействия экситона и поляритона со средой твердого раствора. Вносятся дополнения к фундаментальным работам в данной области, обычно рассматривающие изолированный аспект существования экситона в твердом растворе [9−14, 20].

Исследование тонкой структуры края поглощения полупроводника — это исследование относительно узких (2−10мэВ) особенностей спектра вблизи края поглощения — результата проявления экситонных эффектов в суперпозиции с континуумом и квазиконтинуумом поглощения. Такого рода исследования сталкиваются с необходимостью исключения любых иных вкладов в. поглощение, или механизмов. обуславливающих изменения формы экситонных пиков, а равно и изменяющие вид края поглощения. К таким вкладам и механизмам можно отнести, в первую очередь, наличие примесей в кристалле, дислокаций, центров рекомбинации на поверхности, дефектов кристалла, наличие напряжений в кристалле и пр. и пр. Поэтому в качестве объекта исследования были выбраны свободные, сверхтонкие образцы высокосовершенного твердого раствора А^а^Аз с тремя значениями концентрации замещающей компоненты х — 0.15, 0.209 и 0.27 выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии в условиях глубокой очистки установки роста и использования особо чистых исходных материалов [32].

Цель данной работы заключалась в определении рода, и основных параметров взаимодействия экситона со средой кристалла путем анализа закономерностей изменения основных параметров экситонной линии в твердом растворе А1хОа1. хАз — амплитуды, ширины и также интегрального поглощения, как численного коэффициента объединяющего сразу несколько параметров экситонных линий и дающего информацию о силе осциллятора и поглощательной способности экситонов в кристалле. Изменения параметров происходили под влиянием изменений температуры образца или интенсивности приложенного магнитного поля. Анализ, оценка и соотнесение полученных данных с рассмотренными теоретическими моделями позволили определить основные параметры взаимодействия экситона и среды в исследуемых образцах. Одним из важнейших результатов был ответ на вопрос о возможности существования экситонного поляритона в условиях флуктуирующего потенциала в твердом растворе. В данной работе были поставлены следующие задачи:

1. Определить влияние деформационного расщепления валентных зон на ширину линии экситона и определить методику корректного определения параметров экситонной линии в том числе, в случае малых, или скрытых расщеплений.

2. Ввиду наличия вкладов неоднородного уширения и однородного уширения в экситонную линию найти теоретическую форму кривой, наилучшим образом описывающей форму экситонной линии и определить методику контурного анализа, учитывающую вклады континума и возбужденных состояний экситона.

3. Определить качественный характер и параметры светопоглощения в образцах полупроводникового твердого раствора АЬЮаЬхАз при разной температуре образца или напряженности магнитного поля, в которое помещен образец. V.

4. В случае поляритонного характера светопоглощения в некоем диапазоне температур, выделить компоненту однородного уширения из наблюдаемого уширения и определить константы взаимодействия экситона с фононами и примесями.

5. Определить вклад неоднородного уширения, показать некорректность определения параметров взаимодействия экситона со средой через наблюдаемое уширение.

6. Исследовать зависимость ширины линии экситона от интенсивности магнитного поля.

7. Изучить зависимость величины интегрального поглощения экситонного поляритона в магнитном поле.

8. Определить эффективные массы носителей заряда, используя данные магнитооптических измерений.

Выбор методов исследования определялся задачами исследования. Экспериментальные исследования поглощения экситонных линий хорошо изученным методом люминесценции описаны во многих источниках [2] и сравнительно просты, однако обладает тем фундаментальным недостатком, что она не позволяет исследовать, собственно, край поглощения — континуум и квазиконтинуум в силу «сваливания» носителей в экстремумы энергетических зон. По этой же причине, исследование магнитопоглощения образца, позволяющее определить зонные параметры и эффективные массы носителей заряда в кристалле, невозможно методами люминесценции. Метод анализа отражения позволяет исследовать толстые образцы, или же образцы на подложке, что так же облегчает задачу, но наличие «мертвого» слоя сильно ее осложняет — корректный учет этого слоя, ввиду его зависимости от многих факторов, затруднен [3, 85, 45]. В данном случае оптимален метод анализа спектров пропускания и отражения — он дает непосредственную информацию о виде спектра поглощения образца, а в случае проявления эффектов интерференции Фабри-Перо в образце, позволяет исключить эту помеху из спектров поглощения.

Изучение экситонного края поглощения твердого раствора состоит в выделении и анализе параметров экитонных состояний — достаточно узких особенностей спектра в районе края поглощения. Поэтому метод определения параметров экситонных линий состоял, прежде всего, в выделении изолированной экситонной линии из экспериментальных спектров. В дальнейшем производился контурный анализ экситонных линий, позволяющий методом подгонки известных кривых под экспериментальные данные связать искомые параметры с подгоночными коэффициентами для кривых. Анализ полученных с достаточной точностью параметров и данных, соотнесение их с литературными данными и теоретическими оценками, определение рода и характера процессов в кристалле позволяют вычленить искомую информацию об исследуемом явлении.

Предмет исследования данной работы — линия экситонного поглощения высокосовершенных твердых растворов А^Са^АБ (х=0.15, 0.209, 0.27). Подробный анализ выделенной из спектра поглощения экситонной линии позволял получать данные об ее форме и ширине, вычислять интегральное поглощение в зависимости от температуры и состава образца, а также в зависимости от интенсивности приложенного магнитного поля. Температурные зависимости интегрального коэффициента поглощения дают качественный ответ на вопрос о возможности существования экситонного поляритона в кристаллах твердого раствора АЫЗаЬхАэ [8, 69]. Основываясь на этой информации, становится возможным применение теории интегрального поглощения в среде с пространственной дисперсией, что позволяет определить параметры поляритона и связывать однородное уширение с константой затухания, также проясняя соотношение между однородной и неоднородной компонентами затухания [8]. Исследование однородной компоненты затухания позволяет проявить истинные параметры диссипативного нерадиационного рассеяния экситона в кристалле.

Исследования интегрального поглощения при разной интенсивности магнитного поля позволяют проанализировать и оценить достоверность результатов опытов по температурным зависимостям процессов экситон-фотонного и экситон-поляритон-фотонного взаимодействия, очевидно выявляя характер экситонного поведения в образцах данного класса [14, 15]. Включение магнитного поля как бы понижает температуру кристалла для компенсированных примесей — происходит «вымораживание» носителей на примесях. Анализ результата двух механизмов — увеличения и уменьшения интегрального поглощения твердого раствора позволяет на качественном уровне подтвердить выводы температурных экспериментов и дополнить существующие теории изменения формы экситонных линий с полем, не учитывающих описанного механизма.

По результатам проведенной работы выносятся на защиту следующие положения:

1. Деформационное расщепление экситонной линии полупроводниковых твердых растворов А1хОа1. хАз может остаться незамеченным при небольших концентрациях замещающей компоненты х, и восприниматься, в таком случае, как скрытое уширение, растущее пропорционально х. Учет деформационного расщепления необходим для корректного определения ширины экситонной линии и других параметров экситонного поглощения.

2. Уширение экситонной линии вследствие структурного беспорядка в твердом растворе Alo.15Gao.s5As более чем на порядок превосходит уширение вследствие взаимодействия экситона с фононами, дефектами и заряженными примесями (однородное уширение), т. е. является, в основном, неоднородным. Наблюдаемая ширина линии не может использоваться для определения параметров взаимодействия экситона и среды.

3. Форма экситонной линии в ПТР Alo.15Gao.85As определяется и однородным, и неоднородным уширением. Контурный анализ экситонных линий, проводимый с использованием функций Войта, одновременно учитывающих Гауссово (неоднородное) и Лоренцево (однородное) уширение, а также с учетом вкладов континуума и квазиконтинуума, позволяет наиболее точно зафиксировать параметры экситонной линии и сделать оценки соотношения однородной и неоднородной компонент уширения.

4. Температурная зависимость интегрального поглощения экситонной линии высокосовершенного твердого раствора Alo.15Gao.85As вплоть до критической температуры ГС=155К определяется экситон-поляритонными эффектами с учетом пространственной дисперсии и насыщается до Ктак = 90.2 эВ/см, что соответствует силе осциллятора экситона / = 1.16×10″ 4 в пересчете на элементарную ячейку и параметру продольно-поперечного расщепления Но)1Т = 0.101 мэВ.

5. Зависимость величины интегрального поглощения экситонной линии в высокосовершенном твердом растворе Alo.15Gao.85As от интенсивности приложенного магнитного поля при Т= 1.7К определяется конкуренцией двух механизмов изменения формы экситонной линии. Первый механизм уширяет экситонную линию во флуктуирующем потенциале твердого раствора, вследствие сжатия и утяжеления экситона в магнитном поле, и увеличивает ее интегральное поглощение вследствие роста силы осциллятора экситона. Второй механизм выражается в уменьшении интегрального поглощения экситонной линии из-за угнетения процесса рассеяния экситона на заряженных примесях — основном механизме, который обуславливает экситон-поляритонное поглощение и однородное уширение экситонной линии при низких температурах.

6. Экситон в твердом растворе Alo.15Gao.85As продолжает существовать в относительно сильных магнитных полях, таких что /? > 1, где /? = кО./2Яу (О-сумма циклотронных частот электрона и дырки, Ду-экситонный Ридберг) что позволяет наблюдать спектры диамагнитного экситона до У7=7Тл и определить основные зонные параметры и эффективные массы носителей заряда в этом полупроводнике.

Научная и практическая значимость результатов определяется тем, что:

1. Детально исследованы температурные зависимости ШЛ и ИП экситона в Alo.15Gao.s5As.

2. Установлено, что в полупроводниковом твердом растворе А10.15Са0 85А8 в диапазоне температур 0−155К светопоглощение в районе экситонного резонанса определяется экситон-поляритонными эффектами.

3. Из экспериментально измеряемой ширины линии выделены данные по однородному уширению экситонной линии в Alo.15Gao.85As и показано, что однородное уширение экситонной линии, определяемое параметрами диссипативного затухания, которое напрямую связано с материальными параметрами среды, на порядок меньше наблюдаемого уширения.

4. Показана необходимость учета деформационного расщепления экситонной линии в образцах со скрытым расщепленным состоянием экситона.

5. Для описания формы экситонной линии в полупроводниковом твердом растворе использовались контуры Войта, одновременно учитывающие однородное и неоднородное уширение.

6. Впервые был показан немонотонный ход зависимости интегрального поглощения экситонной линии в Alo.15Gao.85As при изменении интенсивности магнитного поля.

7. Разработана процедура определения параметров взаимодействия экситона со средой посредством изучения однородного уширения экситонной линии, извлекаемого из опытных данных с учетом деформационного расщепления и. перекрытия экситонной линии с квазиконтинуумом и континуумом состояний.

8. Предложенное использование контуров Войта для контурного анализа экситонной линии в АЦСа^хАэ повышает точность измерения ее параметров.

9. Продемонстрирована возможность повышения точности определения параметров экситонной линии путем учета ее деформационного расщепления.

10. Показано, что применение магнитного поля изменяет условия существования экситонного поляритона в кристаллах АЦОа^Аэ, как в сторону уменьшения интегрального поглощения, так и его увеличения в сильных магнитных полях.

11. Полученные данные могут быть использованы при построении приборов на основе А1хОа1. хАБ с использованием экситон-поляритонных эффектов.

По результатам проведенных исследований были опубликованы 3 статьи в реферируемых научных журналах [19], [46], [90] а также представлены доклады на 4 научных конференциях [41], [101], [39], [36].

Структурно диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа содержит 183 страниц, 49 рисунков и 97 библиографических ссылок.

Результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Были получены температурные зависимости экситонных ширины линии и интегрального поглощения в полупроводниковой твердом растворе Alo.15Gao.85As. Использовалась техника, позволяющая детально учесть вклады континуума и квазиконтинуума в наблюдаемую ширину линий в целях получения достоверных данных.

2. Была показана необходимость учета «скрытого» деформационного расщепления экситонной линии, как влияющего на определение ее ширины и установлена процедура учета этого механизма уширения для точного определения искомых параметров.

3. Был показан экситон-поляритонный характер температурной зависимости интегрального поглощения экситонной линии для твердого раствора Alo.15Gao.85As, имеющий место в интервале температур 0 — 155К с параметрами экситонного поляритона Псо1Т =0.101 мэВ, Гс=0,32 мэВ, КМХ1=90.2 эВ/см, или силе осциллятора экситона / = 1.16×10~* в пересчете на элементарную ячейку.

4. Были получены данные по однородному уширению экситонной линии в Alo.15Gao.85As. Показано, что истинное уширение экситонной линии, определяемое параметрами диссипативного затухания, которое напрямую связано с материальными параметрами среды, на порядок меньше наблюдаемого неоднородного уширения в температурном диапазоне 0−155К. Показано, что наблюдаемая ширина линий не может быть использована для определения характеристик экситон-фотонного взаимодействия в среде, а свидетельствует, в первую очередь, о структурном беспорядке кристалла.

5. Было показано, что экситон в «сильном» магнитном поле в Alo.15Gao.85As не разрушаетсявплоть до Н=7Тл, что позволяет наблюдать спектры диамагнитного экситона и извлекать информацию о зонных параметрах, в частности, об эффективных массах носителей заряда в кристалле.

6. Впервые была получена и проанализирована зависимость величины интегрального поглощения Alo.15Gao.85As от интенсивности магнитного поля при 7 М.7К и показан ее немонотонный характер, обусловленный наличием конкурирующих механизмов изменения ширины и амплитуды экситонной линии.

7. Анализ зависимостей ширины линии от магнитного поля показал, что наблюдаемая ширина экситонной линии в образцах Alo.15Gao.85As незначительно зависит от поля до значений порядка 3.5Тл, а после характеризуется монотонным ростом, описываемым как результат увеличения трансляционной массы экситона и как результат усреднения флуктуаций потенциала по объему экситона в силу его уменьшения в магнитном поле. Наблюдаемый спад зависимости ширины экситонной линии от интенсивности магнитного поля в районе 1.5−2Тл может быть отнесен на счет уменьшения однородной компоненты уширения экситонной линии в магнитном поле.

Автор благодарит своего научного руководителя профессора, доктора физико-математических наук, академика РАЕН Рубена Павловича Сейсяна, который сделал возможной данную работу своей неустанной заботой и дальновидным руководством. Автор выражает благодарность Наталье Дмитриевне Ильинской за незаменимые услуги в изготовлении образцов, Сергею Ильичу Кохановскому за обучение теории и практике спектроскопии и посильную помощь, а также сотрудникам лаборатории физической и функциональной электроники, проявившим участите и готовность делиться опытом.

Заключение

.

В работе было выполнено комплексное сравнительное исследование зависимостей ширины линии экситона и его интегрального поглощения в квазибинарных высокосовершенных твердых растворах А1хОа1хАз. Во введении были положены цели и задачи исследования, дан предмет исследования, определены методы решения задач. В первой главе приводились основные предпосылки к уширению линий экситона и особенностей поведения его интегрального поглощения при изменении температуры и магнитного поля. В последующих главах описывались проведенные эксперименты, методики обработки данных, результаты. Из результатов экспериментов извлекалась необходимая информация, делались оценки и строились зависимости величин, производились качественные выводы и количественные расчеты параметров взаимодействия экситона со средой.